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

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.

Przykład BMS

Rys. 1. Przykład realizacji systemu zarządzania pracą akumulatora

Aby akumulatory litowo-jonowe mogły możliwie najdłużej pracować wydajnie i przede wszystkim bezpiecznie, wyposaża się je w układy elektroniczne, które nadzorują ich pracę i wyłączają je w razie wystąpienia niebezpiecznych warunków pracy. Na rysunku 1 został przedstawiony przykład realizacji systemu zarządzania pracą akumulatora (Battery Management System, BMS). Można w nim wyróżnić kilka podstawowych bloków funkcyjnych.

Jednym z nich jest blok zabezpieczeń podstawowych, które odłączają akumulator, przerywając jego ładowanie albo rozładowywanie w przypadku przeciążenia, przepięcia, zbyt niskiego napięcia albo przegrzania i każdej innej niebezpiecznej sytuacji. Częścią BMS jest też często blok zabezpieczeń dodatkowych.

Jest to obwód zapasowy, którego częścią jest bezpiecznik. Element ten trwale odłącza akumulator od obciążenia lub zasilania w razie wystąpienia przepięcia. Próg wyłączenia jest w przypadku bloku zabezpieczeń dodatkowych większy niż w bloku zabezpieczeń podstawowych. Aktywuje się on w związku z tym tylko w razie niezadziałania ochrony podstawowej.

Wskaźnik poziomu naładowania

Częścią BMS jest również obwód mierzący poziom naładowania akumulatora. Wielkość tę obliczyć można na kilka sposobów. Najprostszym jest powiązanie poziomu naładowania z napięciem. W związku z tym, że w tej metodzie nie jest uwzględnianych wiele czynników, które mają wpływ na pojemność ogniw (temperatura, prąd rozładowania, wiek ogniw), nie jest ona dokładna. Dlatego obecnie już rzadko się z niej korzysta.

Innym rozwiązaniem jest pomiar czasu oraz natężenia prądu przepływającego przez akumulator. W zależności od tego, czy jest on ładowany, czy rozładowywany, na podstawie wyników pomiarów jego znamionową pojemność odpowiednio zwiększa się lub zmniejsza.

Metoda ta jest dokładniejsza od tej wcześniej opisanej, jednak aby była wiarygodna, wymagane jest okresowe pełne rozładowanie akumulatora. Jeszcze kilka lat temu była stosowana powszechnie.

Balansowanie ogniw

Obecnie najczęściej wykorzystuje się technikę pomiaru i śledzenia zmian impedancji ogniw. Jest ona dokładniejsza niż pozostałe dwie. Nie dotyczą jej też ich inne ograniczenia.

Kolejnym blokiem funkcyjnym w BMS jest ten odpowiadający za równoważenie ogniw w pakiecie, czyli niedopuszczenie do nadmiernego rozładowania albo przeładowania niektórych z nich, w porównaniu do pozostałych. Jest to niepożądane, ponieważ skraca żywotność akumulatora i może mieć wpływ na bezpieczeństwo jego użytkowania.

Balansowanie ogniw można zrealizować na dwa sposoby: pasywnie albo aktywnie. W pierwszym ogniwo nadmierne naładowane jest rozładowywane do momentu, kiedy jego napięcie zrówna się z napięciem pozostałych ogniw. Wadą tej techniki jest strata nadwyżki energii. W drugiej metodzie nadmiarowy ładunek z przeładowanego ogniwa jest natomiast przenoszony do ogniwa albo kilku, które są niedoładowane.

Monika Jaworowska

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie