lithium-ion battery

Kifejezés:lithium-ion battery
Szinonimák: Li-Ion, lítium-ion akkumulátor, lítium, lithium-ion, Li-ion

Jelentés: 1991-óta forgalomban lévő nagy energiasűrűségű és ehhez képest kis tömegű kémiai akkumulátorok, melyekben a lítium ionok áramlása játssza a kulcs szerepet. Biztonsági áramkörökkel kell őket ellátni, melyek szabályozzák az áram és feszültségértékeit. Nagy energiájú változatait szerszámokban és orvosi eszközökben is alkalmazzák, valamint a számítástechnika, elektronika, és mobilkommunikáció területén az egyik legelterjedtebb áramforrások.

A lítium-ion akkumulátorok olyan kémiai áramforrások, melyekben az katód (pozitív) és a anód (negatív) elektródák közt egy szerves elektrolit oldószerben mozognak a lítium ionok, melyben lítium só és egy szigetelő réteg is van. Töltéskor az anódtól lítium ionok vándorolnak a katód felé ahol egy szén alapú térrácsban raktározódnak, míg kisüléskor a katódból vándorolnak a lítium ionok az anód felé, ahol leadják plusz elektronjukat, vagyis az általuk tárolt töltést.

Előnyök
- Nagy energiasűrűség – mai napig is növekszik ez az érték
- Aránylag lassú önkisülés – kevesebb mint fele a nikkel alapú akkumulátorokhoz képest. Rendszerint 10 % alatti az éves töltésveszteség.
- Nincs memória effektus
- Nem igényelnek különösebb karbantartást
- A speciális változatai nagy feszültség leadására is képesek, így ideálisak szerszámokhoz.

Hátrányok
- Védő áramkörökre van szüksége az akkumulátoroknak
- Az öregedési és elhasználódási probléma jelen van, hasonlóan a nikkel alapú akkumulátorokhoz. A 40% körüli hideg száraz helyen való tárolás lassítja az öregedési folyamatot.
- A nikkel alapú eszközökhöz képest magas gyártási költség

Rövid történet

Az előremutató kutatómunka alapjai a lítium akkumulátorokkal kapcsolatban 1912-ben kezdődött Gilbert Newton Lewis vezetésével, azonban az leső kereskedelmi forgalomban is elérhető lítium alapú, de nem újratölthető akkumulátor csak az 1970-es években jelent meg. A lítium-ion újratölthető akkumulátorok fejlesztései az 1980-as években kezdődtek, de a lítium instabilitása miatt sokáig kellett várni megjelenésükre. Kereskedelmi forgalomba csak 1991-ben kerültek elsőnek. A Sony cég volt aki először lítium-ion akkumulátorokat hozott forgalomba.

Szigetelő rétegek

Az akkumulátorokban számos elválasztó réteget, úgynevezett akkumulátor-cellaközfalat találunk, melyek elválasztják az anódot a katódtól, megtartják az elektrolit folyadékot, és egyben képesnek kell lenniük a lítium ionok átengedésére a megfelelő töltésáramlás érdekében. Ezeknek az elválasztó rétegeknek rendkívül fontos szerepük van az akkumulátor működése és biztonsága szempontjából. Amennyiben ezek a szigetelő rétegek megsérülnének és esetleg a akkumulátor belső érintkezői valahol összeérnének, az egyenlő lenne egy rövidzárlattal az áramforrás belsejében, mely pusztító, robbanásszerű folyamatot eredményezne.

Katód

A lítium-ion akkumulátorok katód elektródái olyan anyagból készülnek, melynek képeseknek kell lenniük lítium ionok leadására a töltési folyamat során illetve lítium ionok megkötésére a kisülési folyamat során. Ezeket az aktív katód elemeket rendszerint lítium-kobalt oxidból (LiCoO ₂ ), illetve lítium-nikkel oxidból (LiNiO ₂ ) vagy lítium-mangán oxidból (LiMnO ₄ ) készítik. Ezek közül a kobalt tartalmú katódok rendelkeznek a legkedvezőbb tulajdonságokkal

Anód

A nagymennyiségű energia raktározási kapacitás érdekében, lítium ionok tárolására alkalmas szén alapú anódokat használnak. Ennek jelenleg két változatát használják. Az egyik esetében egy grafithoz hasonló kristályos szénszerkezetet, míg a másik esetben egy amorf, kokszhoz hasonló szénszerkezetet. A kétféle atomszerkezet közel azonos mennyiségű lítium ion tárolását tesz lehetővé, azonban az energia leadás során a grafit rendszerek több energiát képesek leadni.

Felépítés

A nagykapacitású akkumulátorokban rendszerint több lítium-ion cellát is találunk, melyekben a cellaközfalakkal elválasztott anód-katód szendvics hengeresen fel van tekerve, a leghatékonyabb helykihasználás és a lehető legnagyobb kapacitás érdekében. Egy cellában ezen kívül néhány biztonsági és a cella épségét védő alkatrészt is találunk. Egy PTC nevű alkotóelem, akadályozza meg hogy külső rövidzárlat esetén az akkumulátor túlmelegedjen. A működése a PTC-hez használt anyag tulajdonságain alapul, mivel ahogy elektromosság halad át a PTC-n annak elkezd növekedni az ellenállása egy önmelegedési folyamat következtében. A PTC-k rendszerint akár 10k ohmos elektromos ellenállásra képesek. Egy másik biztonsági modul a cellákban a túltöltést hivatott meggátolni. A CID (Current Interrupt Device) megállítja a töltést ahogy növekszik a nyomás a cellában, és egy piciny nyíláson keresztül a nyomás folyamatosan távozhat a cellából.

Ez a leírás a SANYO technikai dokumentációi alapján készült.