Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Fejezetek a villamosenergia-rendszerek, az elektrokémiai és további energiatárolási technológiák témaköréből


1.2. A lítiumelemek és a Li-ion-akkumulátorok történeti áttekintése

A lítium a fémek közül a legkisebb sűrűséggel, a legnagyobb elektrokémiai potenciállal rendelkező anyag. Emiatt már korábban is felmerült az a gondolat, hogy a fémlítium kitűnő jelölt lenne akkumulátorelektródként való felhasználásra. Viszont az összes addig ismert akkumulátorcellában vizes elektrolitot használtak (lásd kénsav, szalmiákszesz, kálium-hidroxid, nátrium-hidroxid stb.), melyek viszont kémiailag nem kompatibilisek az elemi állapotú, fémes lítiummal. Ennek oka, hogy a fémlítium vízzel vagy nedvességgel érintkezve hidrogéngázt és LiOH-t képezve hevesen, exoterm reakcióban reagál. Emiatt a fémlítium és egyéb lítiumvegyületek akkumulátorcellákban való felhasználását megelőzően paradigmaváltásra volt szükség. Ennek lényege abban áll, hogy a vizes elektrolitokat szervesfolyadék-elektrolitra cseréljék, ami számos előnnyel jár. Ilyen előnyös tulajdonság például a széles működési feszültség, valamint az addigiaknál sokkal magasabb teljesítmény- és energiasűrűség megvalósítása. A lítiumakkumulátorok fejlesztése 1912-ben kezdődött G. N. Lewis vezetésével. Jóllehet a lítiumion diszulfidokban, például TiS2-ban és MoS2-ban [3] történő reverzibilis interkalációjának felfedezése tette lehetővé az újratölthető lítiumakkumulátorok kifejlesztését az 1970-es években Stanley Whittingham munkássága által. Az 1980-as években John B. Goodenough kísérletezett azzal, hogy titán-diszulfid helyett lítium-kobalt-oxidot [4] használt katódaktív komponensként, aminek eredményeként az akkumulátor potenciálja megduplázódott, és kb. 4 V körüli értéket tudtak realizálni, ami az akkori legmagasabb, 2–2,5 V cellafeszültséghez viszonyítva rendkívülinek számított. Ez az akkumulátor azonban továbbra is lítiumfémet használt anódként, ami biztonsági problémákat vetett fel a praktikus használat során. Néhány évvel később újabb áttörést ért el Akira Yoshino és csapata a japán nagojai Meijo Egyetemen. Ahelyett, hogy reaktív fémlítiumot használt volna anódként, azt javasolta, hogy a negatív elektród anyagként szénalapú anyagot [5], petrolkokszot használjanak, ami a jól ismert, úttörő felfedezéséhez vezetett. Ezzel a fejlesztési lépéssel az újszerű akkumulátor nemcsak lényegesen biztonságosabbá vált a lítiumfém anód elhagyásával, hanem az akkumulátor elektrokémiai teljesítménye is jelentősen javult, így megbízhatóbbnak bizonyult, és a ma ismert lítiumion-akkumulátor prototípusa lett. Fontos mérföldkő a Li-ion-akkumulátorok történetében a 2019. évi kémiai Nobel-díj, melyet a három tudós, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham és Akira Yoshino kapott megosztva az újfajta elektrokémiai energiatároló rendszer kifejlesztésében végzett munkájáért.
A lítiumion-technológia számos előnnyel jár. Az igen magas, kb. 3,2–4,0 volt körüli cellafeszültség – szemben a szabványos alkáli cellák 1,5 voltos feszültségével – hozzájárul a nagy energiasűrűség (fajlagos energia) megvalósításához, ami a legfontosabb előnynek tekinthető. További előnyös tulajdonság az alacsony önkisülési ráta, ugyanis a lítiumion-cellák önkisülési sebessége sokkal alacsonyabb, mint a többi ismert szekunder rendszeré, amilyen például a Ni–Cd vagy a NiMH. Ez a tulajdonság biztosítja a lítiumion-akkumulátorok esetében a jó naptári élettartamot. Szintén pozitívumként említhető a lítiumion-akkumulátorok karbantartásmentes működtetése is, illetve hogy a cellakomponensek és a gyártástechnológia hozzáigazításával lehetséges energiatartalomra és/vagy teljesítményleadásra/felvételre optimalizált cellákat készíteni.
Ugyanakkor, mint minden akkumulátorkémia esetén, a lítiumion esetében is említhető néhány hátrányos tulajdonság, melyeket az előnyökkel szemben mérlegelni kell. Elsősorban a biztonsági kérdések területe fontos, ugyanis a lítiumion-celláknak védelemre van szükségük a túltöltés és/vagy a mélykisülés ellen. Ezenkívül a töltési és kisütési áramokat biztonságos határértékeken belül kell tartani (pl. alkalmazható C-ráták a töltés és a kisütés során). Egy másik hátrány az akkumulátorcellák öregedési folyamataival kapcsolatos: az öregedési folyamatok az elektrokémiai ciklikus körülményektől (pl. töltési/kisütési áramok, környezet és az akkumulátorcellák hőmérséklete, mechanikai hatások) és a ciklusok számától (a ciklikus élettartam teljesítménye) függenek. A kereskedelmi forgalomban kapható Li-ion-akkumulátorok 500–1000 teljes töltési/kisütési ciklust képesek kibírni szabványos üzemi körülmények között, és eközben visszafordíthatatlanul elveszítik eredeti kapacitásuk 20–30%-át.
 
Jelenleg számos kutatás folyik a legkorszerűbb, kereskedelmi forgalomban kapható lítiumion-akkumulátorok fejlesztése érdekében [6] , [7] . A fejlesztések fő hajtóereje általános elektrokémiai teljesítményük javítása az energiasűrűségük, a ciklusélettartamuk és az akkumulátorcellák biztonságának növelése révén. Az energiasűrűség tekintetében az új, interkalációs típusú lítiumion-akkumulátor-elektródák megtalálására irányuló munkálatokon túlmenően még hatékonyabb 4. és 5. akkumulátorgenerációs technológiákat fejlesztenek, mint a lítium–kén vagy a lítium–levegő rendszerek. Ezek az akkumulátorok konverziós típusú pozitív elektródokon alapulnak, és jelenleg még fejlesztési szakaszban léteznek. Szintén fontos elektrokémiai paraméter az akkumulátorcella teljesítménysűrűsége (W/kg vagy W/l egységben), azaz egy jól működő újratölthető akkumulátorcella nagy áramokat képes elviselni anélkül, hogy az elektrokémiai teljesítménye csökkenne, továbbá elkerülhető lenne a nagy töltési/kisülési áramok okozta jelentős öregedés. Az akkumulátorok számos alkalmazása során szükséges lehet a gyors töltés, ami megköveteli az akkumulátorcella nagy teljesítménysűrűségét (lásd mobil alkalmazások, például a BEV-ek és „akkus” kézi szerszámok gyors töltése). Emellett a Li-ion-akkumulátorok előállítási költségei ma még mindig magasnak mondhatók, ami korlátozó tényező lehet bizonyos alkalmazásoknál, például az elektromos járműveknél, ahol az akkumulátor a végtermék (azaz elektromos autó) teljes költségének nagy részét teszi ki. Jóllehet a lítiumion-akkumulátorok kWh-ban kifejezett ára a korábbi kb. 1100 USD/kWh szintről a 80–90 USD/kWh-ra csökkent, ami jelentősen hozzájárult a Li-ion-akkumulátorokat alkalmazó EV gépjárművek elterjedéséhez. Végül, tekintettel az akkumulátorcellák gyártási volumenének várható növekedésére, új és bőségesen rendelkezésre álló anyagokon, például mangánon, vason, titánon [7] vagy akár kénen alapuló Li-ion-akkumulátorokat kell fejleszteni. Továbbá egyszerű, a környezetre nézve biztonságosabb gyártási folyamatokat (pl. száraz eljárások) kell kidolgozni. Ezen akkumulátorok fejlesztésével együtt a lítiumforrások kérdése is felmerül. A jelenlegi tanulmányok becslései szerint elegendő mennyiség áll majd rendelkezésre, figyelembe véve még a BEV- ( battery electric vehicle ) piac tömeges fejlődését is a következő évtizedekben [8] , [9] . Egy fontos pontról azonban nem szabad megfeledkezni. Bár a hozzáférhető lítiumforrások bőségesek, messze nem egyenletesen oszlanak el a Föld felszínén. A források nagy része néhány dél-amerikai országokban, Ausztráliában, Kínában stb. van. Ezenkívül a termelési módszereket tovább kell fejleszteni ahhoz, hogy megbirkózzanak a megjósolt igények robbanásszerű növekedésével. Ebben az összefüggésben az újrahasznosítás továbbra is a fejlődés egyik kulcsmozzanata marad. A lítium utáni technológiák, például a nátriumion- és/vagy magnéziumion-akkumulátorok alkalmazása szintén orvosolná az ellátási lánc problémáját, tekintettel ezen anyagok bőséges mennyiségére és alacsony költségére [10] , [11] . Bár a teljesítmény, az energiasűrűség és a ciklusélettartam tekintetében ezek a rendszerek elmaradnak a Li-ion-akkumulátoroktól.
 

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Tartalomjegyzék


Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2025

ISBN: 978 963 664 126 9

A kötet átfogó, horizontális tematikával vezeti be az olvasót az akkumulátor értéklánc teljes spektrumába: bemutatja a villamosenergia-piac működését, a telepített energiatárolási megoldásokat, az akkumulátorok járműipari alkalmazása terén az alternatív hajtásláncok felépítését és kulcskomponenseit, valamint részletesen tárgyalja a Li-ion akkumulátorok felépítését, működését, gyártástechnológiáját és a legfrissebb fejlesztési irányokat. Áttekintést nyújt továbbá az akkumulátorok biztonságtechnikájáról, diagnosztikai eljárásairól és az újrahasznosítás legfontosabb szempontjairól. Az olvasó átfogó képet kaphat az elektrokémiai energiatárolás technológiai hátteréről, a mobilitási és telepített tárolási megoldások térnyeréséről, az akkumulátoripar hazai és globális fejlődési irányairól, valamint az ezekhez kapcsolódó lehetőségekről, kihívásokról és szabályozási kérdésekről. A kötet az akkumulátorgyártás alaplépéseitől a jármű- és energiarendszer-integrációig, a töltőinfrastruktúrától a biztonságtechnikai, gazdasági és jogi aspektusokig számos kapcsolódó területet is tárgyal. Hasznos olvasmány lehet gépész-, villamos- és vegyipari mérnökök, mechatronikai és gazdasági szakemberek, autóipari és energiaipari szereplők, valamint a közszféra és az oktatás területén dolgozók számára – de mindazoknak is, akik naprakész, rendszerszintű tudást keresnek az energiatárolás és az elektromobilitás dinamikusan fejlődő világában. A kötet elkészítését a Magyar Akkumulátor Szövetség támogatta.

Hivatkozás: https://mersz.hu/kun-energiatarolasi-es-akkumulatoripari-alapismeretek//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero

Kivonat
fullscreenclose
printsave