Ogniwa litowo-jonowe - Akumulatory i ich konstrukcje

Niezależnie od rodzaju każdy akumulator zbudowany jest z czterech podstawowych komponentów: anody, katody, separatora i elektrolitu. Elektrody wykonuje się z różnych materiałów. Dobiera się je tak, żeby w akumulatorze mogła zajść odwracalna reakcja chemiczna, w wyniku której jony będą się przemieszczać pomiędzy katodą a anodą.

Podczas ładowania akumulatora, na skutek przepływu prądu pobieranego ze źródła zasilania, jony - w przypadku tytułowych urządzeń są to jony litu - przemieszczają się w elektrolicie w kierunku od elektrody dodatniej do elektrody ujemnej. Podczas rozładowywania z kolei jony płyną w kierunku odwrotnym, czyli od anody do katody, uwalniając przy tym energię, którą jest zasilane urządzenie, wyposażone w akumulator.

Jak wspomniano wyżej, częścią akumulatora jest także separator. Ma on zwykle postać membrany z tworzywa sztucznego. Zadaniem tego elementu jest elektryczna izolacja anody od katody. Ciągłość separatora jest warunkiem koniecznym dla bezpiecznej pracy akumulatora.

Warto w tym miejscu dodać, że lit charakteryzuje silna reaktywność. Z punktu widzenia zdolności do gromadzenia energii elektrycznej jest to ważna zaleta tego materiału. Z drugiej jednak strony to czyni akumulatory litowo-jonowe potencjalnie niebezpiecznymi.

Ogniwa litowo jonowe - konstrukcja

Jeżeli ich temperatura wewnętrzna zbytnio wzrośnie, stabilność reakcji chemicznych, które w nich zachodzą nie będzie gwarantowana. Żeby temu zapobiec, w akumulatorach montowane są rozmaite zabezpieczenia. Przykładem są odpowietrzniki, dzięki którym można obniżyć ciśnienie panujące w ich wnętrzu oraz separatory wykonane z mikroporowatych tworzyw. W tych drugich, w przypadku przekroczenia temperatury granicznej, mikrootwory ulegają stopieniu, blokując przepływ jonów.

Ogniwa litowo-jonowe akumulatora zbudowane są z warstwowo ułożonych elektrod zamkniętych w metalowej obudowie. Przeważnie materiałem anody pokrywa się folię miedzianą, natomiast materiałem katody folię aluminiową. Pomiędzy nimi umieszcza się separator.

Poszczególne warstwy akumulatora są układane jedna na drugiej i ustawiane pionowo albo zwijane. Po osadzeniu elektrod w obudowie jest ona wypełniana elektrolitem. Krok ten poprzedza uszczelnienie akumulatora.

W obudowie montowany jest zawór, który umożliwia odprowadzenie nadmiaru gazów, będących produktami ubocznymi reakcji, które zachodzą w elektrolicie. Ogniwa łączy się ze sobą. Łączenie szeregowe zwiększa napięcie akumulatora, zaś łączenie wielu ogniw litowo-jonowych albo ich rzędów równolegle - prąd.

Parametry użytkowe i bezpieczeństwo

Mimo wielu zalet, dzięki którym akumulatory litowo-jonowe są powszechnie używane, dotyczą ich wciąż liczne ograniczenia. Jeżeli nie zostaną z czasem rozwiązane, z pewnością wpłyną na przyszłe zapotrzebowanie na ten rodzaj akumulatorów, jeśli naukowcom uda się w końcu zbudować konstrukcje dla nich alternatywne. Najważniejsze ograniczenia obejmują wybrane parametry oraz bezpieczeństwo użytkowania tytułowych akumulatorów.

Jeśli chodzi o te pierwsze, najważniejsze z nich to: pojemność, od której zależy to, jak często trzeba doładowywać akumulator, i jego żywotność. Parametry te mają szczególne znaczenie w przypadku akumulatorów zasilających samochody elektryczne.

Pojemności akumulatorów obecnie są znacząco większe niż jeszcze parę lat temu, dzięki czemu można je ładować nieporównywalnie krócej. Wciąż jednak w tym zakresie jest dużo do zrobienia, zwłaszcza na potrzeby branży motoryzacyjnej.

Obawy zniechęcają do zakupu aut elektrycznych

W przypadku elektroniki użytkowej można by zaryzykować stwierdzenie, że pojemności obecnie dostępnych akumulatorów są stosowne do potrzeb użytkowników. Większość smartfonów bowiem może bez przerwy cały dzień działać na zasilania bateryjnym, nawet jeżeli są na nich uruchamiane aplikacje mocno obciążające jego pamięć i/lub procesor.

Poza tym, gdy w końcu akumulator się rozładuje, znalezienie gniazdka elektrycznego nie stanowi zwykle większego problemu, a telefon można podładować już w ciągu godziny.

Zupełnie inaczej jest w przypadku samochodów elektrycznych. Ich zasięg, chociaż wciąż rośnie, jest ograniczony do około 160 km, a nawet mniejszej odległości w przypadku wielu marek aut tego typu. Co gorsza, chociaż stacji ich ładowania cały czas przybywa, sieci tych obiektów wciąż nie są jeszcze tak gęsto rozmieszczone, jak w przypadku stacji benzynowych. Oprócz tego naładowanie samochodu elektrycznego może zająć nawet kilka godzin.

W rezultacie wiele osób obawia się, że ilość energii zmagazynowanej w akumulatorze pojazdu nie będzie wystarczająca, żeby można było z niego na co dzień swobodnie korzystać i przeraża je wizja rozładowania się samochodu podczas jazdy, zanim dotrą do celu swojej podróży albo do stacji ładowania, zwłaszcza jeżeli tam, gdzie mieszkają, sieć takich punktów nie jest rozbudowana. Ten lęk jest według badań najczęstszą przyczyną rezygnacji z zakupu auta elektrycznego.