Akumulatory litowo-jonowe - konstrukcje, materiały, parametry

| Technika

Akumulatory litowo-jonowe są lekkie i mają większą gęstość energii niż inne, na przykład w porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych aż o 50%. Dzięki temu są popularnym źródłem energii zasilania w elektronice użytkowej i autach elektrycznych. Chociaż przewiduje się, że jeszcze długo żaden inny typ akumulatorów nie będzie stanowił dla nich konkurencji, o przyszłym zapotrzebowaniu na nie zdecyduje to, czy uda się poprawić ich parametry, przede wszystkim pojemność i żywotność, oraz zapewnić bezpieczeństwo ich użytkowania.

Akumulatory litowo-jonowe - konstrukcje, materiały, parametry

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.

Żywotność

Parametrem ważnym zwłaszcza dla właścicieli samochodów elektrycznych jest również żywotność akumulatorów litowo-jonowych, z czasem bowiem ich właściwości w zakresie magazynowania energii ulegają pogorszeniu. Szybkość postępu tego procesu zależy od materiałów użytych do ich budowy, ich konstrukcji oraz sposobu, w jaki są użytkowane - szybszemu starzeniu się sprzyja m.in. przegrzewanie się akumulatora.

Na przykład żywotność akumulatorów używanych w telefonach czy laptopach zazwyczaj wynosi tylko kilka lat, po upływie których trzeba je wymienić. Akumulatory w autach elektrycznych muszą być siłą rzeczy trwalsze - typowo ich gwarantowana żywotność wynosi od 8 do 10 lat.

Mimo to z czasem ich zdolność do gromadzenia energii spada. To z kolei ma wpływ na obniżanie się z roku na rok ceny samochodu w razie jego odsprzedaży. Dla wielu jest to dodatkowy czynnik zniechęcający do kupna pojazdu tego typu.

Żywotność akumulatorów skracają różne problemy. Przykładami są: ubytki jonów elektroaktywnych, nadmierny rozrost powłok pasywacyjnych powstających na elektrodach, delaminacja materiału elektrod od folii oraz pękanie elektrod pod wpływem naprężeń mechanicznych.

Obawy o bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych wyrażają zarówno właściciele elektroniki użytkowej, jak i samochodów elektrycznych. Na przestrzeni ostatnich lat doszło bowiem do kilku przypadków pożarów, w których odegrały decydującą rolę.

Bezpieczeństwo

Generalnie tytułowy rodzaj akumulatorów łatwiej niż inne ulega zapłonowi, a dochodzi do niego zazwyczaj na skutek zwarcia elektrod, które powoduje nagrzewanie się akumulatora do temperatury powyżej tej bezpiecznej. Powstaniu zwarcia sprzyjają różne defekty wewnątrz ogniwa. Przykładami są: zadziory na foliach elektrod, otwory w materiale elektrod i zanieczyszczenia.

Do niebezpiecznych incydentów doszło na przykład w przypadku kilku modeli aut elektrycznych Tesli. Aby im zapobiec w przyszłości, firma wprowadziła zmiany w konstrukcji Modelu S, dodając w 2014 roku tytanowe i aluminiowe osłony wzmacniające podwozie, które miały zapobiegać wnikaniu drobin z drogi do akumulatorów. Mimo tych zabiegów w 2016 roku miały miejsce kolejne pożary aut tego typu.

Innym przykładem są telefony Samsung Galaxy Note 7, które ze względu na zapłon akumulatorów przysporzyły temu producentowi niemałych problemów. Na początku firma zaoferowała darmową wymianę akumulatorów, jednak to nie zapobiegło kolejnym pożarom telefonów nowo oddanych do użytku.

Chociaż producent źródła problemu wciąż upatruje w wadliwych akumulatorach, można podejrzewać, że winny był nieprawidłowy projekt urządzenia oraz brak testów, które zawczasu wykryłyby zagrożenie.

Na pojemność i żywotność oraz bezpieczeństwo akumulatorów wpływ mają materiały użyte do ich budowy. Ważne są również układy elektroniczne nadzorujące ich pracę.

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie