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

Materiały konstrukcyjne

Popularnym materiałem, z którego wykonywane są katody w tytułowych akumulatorach, jest tlenek litowo-kobaltowy (LiCoO2). Akumulatory litowo-jonowe dostępne są też w wersji z katodą z tlenku litowo-żelazowo-fosforanowego (LiFePO4), tlenku litowo-manganowego (LiMn2O4) i materiałów: NMC, na bazie litu, niklu, manganu i kobaltu (LiNiMnCoO2) i NCA, który w składzie oprócz litu, niklu i kobaltu ma również aluminium (LiNiCoAlO2).

Anoda akumulatorów litowo-jonowych wykonana jest zazwyczaj z węgla w formie grafitu. Gęstość energii, jaką można uzyskać w akumulatorach z ujemną elektrodą z tego materiału, wynosi typowo od 200 do 250 Wh/kg. Uznaje się je za bezpieczniejsze niż akumulatory z anodą z litu.

Pomimo to właśnie w tym ostatnim materiale pokładane są bardzo duże nadzieje. Wynika to stąd, że ma on właściwości, które w przypadku materiałów anod w akumulatorach o dużej pojemności są szczególnie pożądane. Są to: duża pojemność grawimetryczna, która wynosi 3860 mAh/g, mała gęstość (0,59 g/cm³) oraz niski potencjał elektrochemiczny.

Problematyczne dendryty

Główną przeszkodą, która hamuje komercjalizację akumulatorów z anodami z litu, jest to, że na ich powierzchni formują się, a z każdym kolejnym cyklem ładowania-rozładowania nagromadzają się w większej ilości, struktury krystaliczne. Obecność dendrytów w końcu prowadzi do zmniejszania się pojemności akumulatora.

Proces ten postępuje tym szybciej, im szybciej te struktury narastają. Ponadto są one niebezpieczne ze względu na możliwość zwarcia i wynikające z tego zagrożenie pożaru.

Problem ten nie zniechęca naukowców, którzy mając w perspektywie zbudowanie akumulatorów o pojemności 400-500 Wh/kg w przypadku anod cienkowarstwowych, znacząco przewyższającej pojemności tych obecnie dostępnych, stale pracują nad jego rozwiązaniem. Do tej pory opracowano szereg metod usuwania dendrytów, a niedawno nawet zaproponowano zupełnie odwrotne podejście, które wielu uważa za rewolucyjne.

Potencjał krzemu

Zaobserwowano bowiem, że zwiększając gęstość prądu płynącego przez akumulator, można, po przekroczeniu pewnej wartości granicznej, doprowadzić do samonagrzania się dendrytów w takim stopniu, że struktury te samoistnie ulegną wygładzeniu. Wykorzystując to zjawisko, będzie można w przyszłości skonstruować samonaprawiające się akumulatory.

Duży potencjał, jeśli chodzi o zwiększenie pojemności akumulatorów, mają także anody krzemowe. Materiał ten charakteryzuje duża pojemność grawimetryczna - na każdy atom krzemu absorbowane są 4 atomy litu. Dla porównania w przypadku grafitu absorbowany jest tylko jeden atom litu na sześć atomów węgla.

W przypadku akumulatorów z anodami z krzemu na przeszkodzie do komercjalizacji stoi problem tworzenia się na elektrodach z tego materiałów warstw SEI (Solid-Electrolyte Interphase). Są to powłoki będące wynikiem reakcji elektrochemicznej krzemu z elektrolitem, a dokładnie redukcji składników tego drugiego do oligomerów oraz kryształów nieorganicznych. Warstwy SEI stają się barierą dla elektrolitu, pogarszając wydajność akumulatora.

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie