Ogniwa litowo-jonowe - Akumulatory i ich konstrukcje

Porównanie

Tabela 1. Porównanie akumulatorów różnych typów

Podsumowując, porównując ze sobą różne typy akumulatorów litowo-jonowych z anodami z grafitu, można stwierdzić, że pod względem gęstości energii na tle pozostałych konstrukcji wyróżniają się akumulatory LCO, czyli z katodą z tlenku litowo-kobaltowego oraz NMC i NCa. Mała gęstość energii charakteryzuje akumulatory LFP oraz LMo, czyli z elektrodami dodatnimi odpowiednio z tlenku litowo-żelazowo-fosforanowego i tlenku litowo-manganowego.

Jeśli zaś chodzi o liczbę pełnych cykli ładowania i rozładowania akumulatora, które charakteryzują jego żywotność, to spośród wymienionych najdłuższa jest zaletą tych typu LFP. Najgorzej pod tym względem na tle pozostałych wypadają te typu LMO.

W kwestii bezpieczeństwa użytkowania zdecydowanie największe obawy wzbudzają akumulatory LCO. Zaniepokojeni mogą być też użytkownicy akumulatorów z elektrodami z LiNiCoAlO2. Dobry poziom bezpieczeństwa zapewniają te typu LMo oraz NMC, a zdecydowanie najbezpieczniejsze są akumulatory typu LFP.

Poziom bezpieczeństwa znajduje odzwierciedlenie w cenie. Dlatego najtańsze są akumulatory typu LCO, natomiast najdroższe typu LFP. Zestawienie najważniejszych cech wymienionych rodzajów akumulatorów przedstawiono w tabeli 1.

Badania na etapie produkcji

Materiały i rozwiązania konstrukcyjne, które zostały zastosowane w akumulatorach, trzeba na etapie produkcji zweryfikować pod kątem ich wpływu na parametry oraz bezpieczeństwo tych urządzeń. W miarę jak oczekiwania użytkowników w tych kwestiach rosną, producenci sięgają po kolejne techniki ich badań, niszczące i nienaruszające ich struktury.

Wybór właściwej metody zależy do tego, jakie informacje producent chce uzyskać na podstawie ich wyników, jaki poziom ich dokładności jest wymagany oraz jakim budżetem przeznaczonym na ten cel dysponuje. Na przykład testy nieniszczące, których zaletą jest to, że przeważnie nie wymagają kompletnego, nieodwracalnego rozmontowania akumulatora, dostarczają użytecznych informacji zwykle jedynie w ograniczonym zakresie.

Najdokładniejsze spośród tych metod wymagają także użycia drogiego sprzętu. Są również czasochłonne. Dalej przedstawiamy wybrane techniki badań nienaruszających struktury obiektu (Non-Destructive Testing, NDT) i przykłady ich zastosowań.

Przegląd metod NDT

Do tytułowej kategorii zaliczane są m.in. badania mikroskopowe. Mikroskopia optyczna może się okazać wystarczająca w wykrywaniu większych pęknięć, lecz do pomiaru grubości warstw oraz obserwowania zmian w mikrostrukturze, takich jak mikroskopijne otwory oraz defekty, trzeba skorzystać ze skaningowej mikroskopii elektronowej (Scanning Electron Microscope, SEM) albo transmisyjnej mikroskopii elektronowej (Transmission Electron Microscope, TEM). Obie techniki wymagają odpowiedniego przygotowania obiektu badań, aby nie doszło do jego uszkodzenia.

Tymi metodami można też zbadać warstwy SEI - w zasadzie struktury te są tak cienkie, że TEM to jedyny sposób umożliwiający ich wykrycie, oraz dendryty, które wyrastają z SEI. Transmisyjna mikroskopia elektronowa w połączeniu z dyfrakcyjnymi metodami rentgenowskimi znajduje z kolei zastosowanie w analizie przemian fazowych związanych z dyfuzją jonów litu przez elektrody.

Kolejną metodą jest XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy), czyli rentgenowska spektroskopia fotoelektronów. Razem z metodą TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) stanowi ona skuteczne narzędzie na przykład do analizowania procesu formowania się powłok SEI w akumulatorach z krzemowymi anodami.

GDMS, czyli spektrometria mas wyładowania jarzeniowego (Glow Discharge Mass Spectrometry), jest użyteczna do wykrywania śladowych ilości pierwiastków. W przypadku badań akumulatorów ta technika może być zastosowana do detekcji zanieczyszczeń, które niekorzystnie wpływają na ich działanie.

W analizie składu chemicznego warstw SEI wykorzystuje się m.in. metodę spektroskopii FTIR (Fourier Transform Infrared). W badaniach gazów będących produktami ubocznymi reakcji zachodzących w elektrolicie stosuje się metodę GCMS (Gas Chromatography Mass Spectrometry).

Technika ta jest użyteczna zwłaszcza w przypadkach spęczniałych albo przegrzanych akumulatorów. Konfokalna mikroskopia ramanowska pozwala na przykład na sprawdzenie tego, czy cząstki litu są rozłożone w katodzie równomiernie.