MeRSZ online
okoskönyvtár
Több száz tankönyv egy helyen.
Online. Bárhol. Bármikor.
Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek
Fejezetek a villamosenergia-rendszerek, az elektrokémiai és további energiatárolási technológiák témaköréből
1.3. A Li-ion-akkumulátorok működési elve
Az akkumulátorcellák működése a kémiai energia elektromos energiává történő átalakításának elvén alapul, és fordítva, az elektródanyagokban lejátszódó reverzibilis oxidációs-redukciós reakcióknak köszönhetően. Ez a reakciótípus az egyik anyagból a másikba történő elektronátvitellel jár a külső elektronvezető áramkörön keresztül. A galvánelem két elektródból áll: egy negatív elektródból (az akkumulátor kisütésekor anódnak nevezik) és egy pozitív elektródból (az akkumulátor kisütésekor katódnak nevezik). Ez a két elektród az elektroliton keresztül létesít kapcsolatot, ami lehetővé teszi az ionok átvitelét az egyik elektródról a másikra. Az elektrolit az elektronok számára nem átjárható, de biztosítja az ionos vezetőképességet és általában egy oldószerből és az abban oldott sóból tevődik össze.
Az akkumulátor használatakor, például a kisülés során, a negatív elektród (anód) oxidálódik, ami pozitív ionokat bocsát ki az elektrolitba, és az elektronok a külső elektromos áramkörben haladnak, biztosítva az elektromos munkát [12]. A pozitív elektród (katód) ezáltal egyidejűleg redukálódik, és „elfogyasztja” az anód oxidációjából származó elektronokat, miközben a Li-ionok beépülnek a fogadó anyag kristályszerkezetébe. Ez létrehozza az ionok áramlását a cellán belül, ahogyan a 7.2. ábra (bal panel) sematikusan szemlélteti.
Az elektronokat a fémes áramgyűjtő gyűjti össze, és a külső áramkörön keresztül továbbítja a másik elektródra. Az akkumulátor újratöltésekor annak az elektromos áramnak a hatására, amelyet a külső áramforrás (pl. akkumulátortöltő) biztosít a külső áramkörben, a megfelelő elektródokon a redoxireakciók kényszerített formában, fordítottan zajlanak le. Ezáltal az anódhoz jutó elektronok redukciós reakciót okoznak, míg az oxidációs reakció a katódon következik be. Ezt a működési módot sematikusan a 7.2. ábra (jobb panel) szemlélteti.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m1232energ_1110/#m1232energ_1110 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m1232energ_1110/#m1232energ_1110)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m1232energ_1110/#m1232energ_1110)
7.2. ábra. Egy szekunder galváncella működése kisütés (bal oldali panel) és töltés (jobb oldali panel) közben
A Li-ion-akkumulátorok esetében a töltési/kisütési folyamatok a lítiumionok (Li+) folyadék vagy gél típusú elektroliton keresztül történő áramlásán alapulnak, ami az elektródaktív anyagokban levő átmenetifém-ionok oxidációs/redukciós reakciójának következménye. A pozitív elektród aktív anyaga általában egy lítiumtartalmú, átmenetifémion-tartalmú vegyület, tipikusan egy lítium–átmenetifém-oxid, például LiCoO2, vagy rokon vegyületek. A negatív elektród korábban fémes lítiumból, napjainkra azonban a kereskedelmi forgalomban kapható akkumulátorcellákban grafitból készül.
A Li-ion-akkumulátorok elektródanyagainak oxidációs/redukciós reakciója ún. interkalációs típusú reakció. Ebben a reakcióban a lítiumionok a kristályszerkezetbe kerülnek be (vagy onnan vonódnak ki) úgy, hogy a befogadó és egyben elektrokémiailag aktív elektród anyag szerkezete nem változik jelentősen [13]. A 7.3. ábrán látható séma és a feltüntetett elektrokémiai (félcella-) reakciók a Li-ion-akkumulátor működési alapelvét szemléltetik, amikor a Li-ion-akkumulátor (azaz a példában a grafit vs. LiCoO2 kombináció) teljesen lemerül (elméletileg), az x sztöchiometriai együttható egyenlő 0-val. A negatív elektród ekkor kizárólag grafitból (C6) áll, a pozitív elektród összetétele pedig LiCoO2. Amikor a cella teljesen feltöltött állapotba kerül, akkor x értéke egyenlő a katód anyagából származó lítiumionok sztöchiometriai értékével, amelyek az elektrokémiai redukció következtében interkalálódtak a grafit szerkezetébe. Ekkor a negatív elektródot teljesen lítiált grafit (LixC6), míg a pozitív elektródot (részben) delítiált Li1–xCoO2 alkotja [14]. Valós üzemi körülmények között azonban a grafit/LiCoO2 cella töltési folyamatát (azaz a Li+ kivonását a LiCoO2-szerkezetből a Co3+ ◊ Co4+ oxidálásával) meg kell szakítani, mielőtt az x > 0,5 értéket elérné, különben a részben delítiált Li1–xCoO2 irreverzibilis fázisátalakulása következik be. Ez az akkumulátorcellán belül molekuláris oxigén felszabadulását vonja maga után, mely heves exoterm reakciót eredményez az akkumulátorcellán belül, ami termikus megfutást és végül az akkumulátorcella leégését okozhatja. Fontos megjegyezni, hogy az LPF- (azaz LiFePO4) alapú Li-ion-akkumulátorcellák esetében az LFP anyag teljesen „kimeríthető” lítiumionok tekintetében anélkül, hogy a delítiált FePO4 irreverzibilis fázisátalakulása bekövetkezne. Ez azt is lejeti, hogy az LFP-cellák nem hajlamosak a túltöltés következtében bekövetkező hőmérsékleti megfutásra.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m1232energ_1114/#m1232energ_1114 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m1232energ_1114/#m1232energ_1114)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m1232energ_1114/#m1232energ_1114)
7.3. ábra. A lítiumion-akkumulátor és a grafit/LiCoO2 akkumulátorcellára vonatkozó félcella-reakciók sematikus ábrázolása
Az anódot tekintve a negatív elektródok, például a grafit vagy a szilícium munkapotenciálja 0 és 1 V közé esik a Li+/Li félcella-reakcióval szemben. Ez az alacsony elektródpotenciál a legtöbb szervesfolyadék-elektrolit elektrokémiai stabilitásán kívül esik. Ez azt jelenti, hogy a lítiált anódanyag (pl. C6Li) magas redukciós potenciálja miatt készségesen reagál a vele fizikailag érintkező szerves elektrolittal. Ennek ellenére, mint ahogyan azt tapasztaljuk, a Li-ion-akkumulátorok elektrokémiai ciklizálása ilyen alacsony potenciálon is lehetséges marad az anód (azaz annak részecskéi) felületén kialakuló passziváló réteg kialakulásának köszönhetően. Valójában az 1 V (vs. Li+/Li) feszültség alatt a negatív elektródfelületén az elektrolit vegyületeinek redukciója következik be és a SEI (Solid Electrolyte Interphase) nevű felületi védőréteg kialakulása játszódik le. Ez a réteg elektromosan szigetelő, de jó Li-ion-vezetőképességgel rendelkezik. A SEI főként az elektrolit redukciójából származó oldhatatlan szerves és szervetlen termékekből áll [15]. A stabil és folytonos SEI-t kritikus tényezőnek tekintik az akkumulátor működése szempontjából, mert ha már az első ciklusban kialakul, passziváló rétegként működik, és segít megakadályozni az elektrolit degradációját a soron következő ciklusok során. Ionvezető képessége révén lehetővé teszi a lítiumionok szállítását, amelyek így elérhetik az elektródaktív anyagot és biztosíthatják az elektród reverzibilis működését. Továbbá szerepe lehet az elektród integritásának fenntartásában is a lítiumionok sorozatos beépülése és kivonása után.
Tartalomjegyzék
- Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek
- Impresszum
- Előszó
- Akkumulátoros tárolók a villamosenergia-piacon
- Bevezetés
- 1. A villamosenergia-piac működése dióhéjban
- 2. A tárolók üzleti modelljeit megalapozó változások a villamosenergia-rendszerben
- 3. A tárolók használati esetei a villamosenergia-piacon
- 4. Irodalom
- Bevezetés
- A villamosenergia-rendszer kihívásai az időjárásfüggő megújuló energiaforrások vonatkozásában
- 1. Bevezetés
- 1.1. A hálózati kiegyenlítés kihívásai
- 1.2. A fotovillamos teljesítmény előrejelzésének fontossága a villamosenergia-hálózatok szempontjából
- 1.3. Energiatároló rendszerek: jelentőségük és potenciális szerepük az Európai Unióban
- 1.4. Hálózatkiegyenlítési szempontok, az akkumulátoros energiatároló rendszerek piaci alkalmazásai, a PV-energia integrációjának megoldásai és sikeressége
- 1.1. A hálózati kiegyenlítés kihívásai
- 2. Irodalom
- 1. Bevezetés
- Telepített akkumulátorok – a hálózati elektrokémiai energiatárolás alapjai
- 1. Bevezetés
- 2. Energiatárolás: mit, miért, hogyan?
- 3. Az energiatárolás fajtái
- 4. Pszeudoakkumulátorok
- 5. A telepített akkumulátorok előnyei
- 6. Hálózati tárolás
- 7. Esettanulmányok
- 7.1. Kisváros, 1 órás áramszünet – Li-ion-akkumulátoros megoldás
- 7.2. Kisváros, három és fél napos áramszünet – Li-ion-akkumulátoros megoldás
- 7.3. Kisváros, három és fél napos áramszünet – P2M pszeudoakkumulátoros megoldás
- 7.4. Kisváros, három hónapos „vulkán+zombik” szenárió – P2M pszeudoakkumulátoros megoldás
- 7.5. A TERNA-projekt
- 7.1. Kisváros, 1 órás áramszünet – Li-ion-akkumulátoros megoldás
- 8. Összefoglalás
- 9. Irodalom
- Elektromobilitási rendszer és szolgáltatások, töltő-infrastruktúra
- Alternatív járműhajtások
- Az átmeneti energiatárolásra használható elektrokémiai rendszerek leírásának termodinamikai és elektrokémiai aspektusai
- 1. Átmeneti energiatárolás elektrokémiai rendszerekben ‒ termodinamikai és elektrokémiai alapok
- 1.1. Bevezetés
- 1.2. Az elektrokémiai energiatárolási technológiák
- 1.3. Kémiai és elektrokémiai háttér
- 1.4. Az elektrokémiai cella
- 1.5. Az elektrokémiai cella reprezentációja
- 1.6. Az elektrokémiai cella termodinamikai jellemzése
- 1.7. Az elektrokémiai cellával és az elektródokkal kapcsolatos egyéb fogalmak
- 1.8. Az elektródok osztályozása
- 1.9. Az elektrokémiai cellát jellemző fizikai kémiai mennyiségekről
- 1.10. A heterogén elektrokémiai rendszereket (elektrokémiai cella, elektród) jellemző elektrokémiai-termodinamikai mennyiségek
- 1.11. Elektrokémiai egyensúlyi diagramok
- 1.12. Az elektromotoros erő (EMF) hőmérsékletfüggése alapján meghatározható termodinamikai mennyiségek
- 1.13. A cellareakció potenciálja és a reakció egyensúlyi állandója
- 1.14. Az (elektro)kémiai áramforrások osztályozása a gyakorlatban
- 1.1. Bevezetés
- 2. Irodalom
- 1. Átmeneti energiatárolás elektrokémiai rendszerekben ‒ termodinamikai és elektrokémiai alapok
- Bevezetés a Li-ion-akkumulátorok technológiájába
- 1. A Li-ion-akkumulátorok működési elve és komponensei
- 1.1. Az elektrokémiai energiatárolás történeti áttekintése
- 1.2. A lítiumelemek és a Li-ion-akkumulátorok történeti áttekintése
- 1.3. A Li-ion-akkumulátorok működési elve
- 1.4. Az újratölthető Li-ion-akkumulátorok szerkezete és anyagai
- 1.5. A hagyományos Li-ion-akkumulátorok öregedési folyamatai
- 1.1. Az elektrokémiai energiatárolás történeti áttekintése
- 2. A Li-ion-akkumulátorok fejlesztési irányai
- 3. Li-ion-akkumulátorcellák, modulok és akkumulátorcsomagok gyártása
- 4. Irodalom
- 1. A Li-ion-akkumulátorok működési elve és komponensei
- Li-ion-akkumulátorok biztonságtechnikája és akkumulátortesztelési eljárások
- 1. Bevezetés
- 2. A biztonságtechnika és a diagnosztika fontossága a Li-ion-akkumulátorok használata során
- 3. Biztonságtechnikai kihívások és tönkremeneteli mechanizmusok a Li-ion-akkumulátorokban
- 4. Diagnosztikai eljárások és céljaik a Li-ion-biztonságtechnika szolgálatában
- 5. Összefoglalás
- 6. Irodalom
- 1. Bevezetés
- Akkumulátorfelügyeleti rendszerek (BMS) és akkumulátordiagnosztika
- 1. Akkumulátorfelügyeleti rendszerek (BMS)
- 2. Az akkumulátorrendszerek diagnosztikája
- 2.1. Új akkumulátorok és egyéb termékekkel kapcsolatos vizsgálati szabványok
- 2.2. Az akkumulátorok szabványok szerinti vizsgálatához kapcsolódó fontosabb szabványok és vizsgálatok
- 2.3. Használt akkumulátorok vizsgálata – UL 1974 szabvány szerinti folyamatok
- 2.4. Akkumulátorok anyagtudományi vizsgálatai
- 2.1. Új akkumulátorok és egyéb termékekkel kapcsolatos vizsgálati szabványok
- 3. Akkumulátordiagnosztikai esettanulmányok
- 4. Irodalom
- Li-ion-akkumulátorok újrahasznosítási technológiái
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
gomb segítségével választhatsz, hogy fejezetről fejezetre lapozva vagy inkább folyamatosan görgetve olvasnád-e a könyvet.
