Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

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


1.4.3.2. A szerves elektrolit és komponensei
Az elektrolit feladata a Li-ionok rendelkezésre bocsátása és szállítása az elektrokémiai reakcióhoz a pozitív és negatív elektródok között. Az elektrolit másodfajú vezető, elektronok számára nem vezető tulajdonságú, ugyanakkor benne az elektromos erőtérben elmozdulásra képes pozitív és negatív töltésű ionok találhatók. Az elektrolit ionvezető képessége elsősorban a töltéshordozók (azaz anionok és kationok) mennyiségétől (elektrolitkoncentráció) és a töltéshordozók mozgékonyságától (elektrolit kémiai összetétele, jellege és hőmérséklete) függ. A Li-ion-akkumulátorokban használt szervesoldószer-alapú folyékony elektrolitoldat jellemzően lítiumsókból (lítium-tetrafluoroborát, LiBF4; lítium-perklorát, LiClO4; lítium-hexafluor-foszfát, LiPF6; lítium-hexaflur-arzenát, LiAsF6; lítium-trifluor-metánszulfonát, LiCF3SO3 (azaz triflát) vagy lítium-bisz(trifluor-metán-szulfonimid), Li(CF3SO2)2N (azaz LiTFSI)) és egy vagy több nemvizes, azaz szerves oldószerből (dimetil-karbonát, DMC; dietil-karbonát, DEC; propilén-karbonát, PC; etilén-karbonát, EC stb.) tevődik össze. Az elektrolit tipikus tömeghányada egy szabványos 18650 típusú Li-ion-akkumulátorcellában körülbelül 10–12 m/m%. Ebben kb. 70–85 m/m% szerves oldószer és kb. 0,6–0,7 mol/kg (az elektrolitban) vezető só található, emellett 0–10 m/m% egyéb adalékanyagot is tartalmazhat a szerves elektrolit (pl. nitril típusú vegyületek (pl. szukcinonitril, adiponitril) és polimerek). Az adalékok szerepe és feladata elsősorban az akkumulátorcella elektrokémiai jellemzőinek javítása, SEI-módosító képesség révén, illetve az elektrolit és elektrolitkomponensek oxidációs és redukciós folyamatainak csökkentése, mellyel szavatolható a magasabb ciklusélettartam és a stabilabb cellaműködés.
 
A) Az elektrolitban használt szerves oldószerek
 
Az oldószereknek, melyek jellemzően dimetil-karbonát, DMC; dietil-karbonát, DEC; propilén-karbonát, PC; etilén-karbonát, EC és γ-butirolakton, GBL, valamint az elektrolitoldatban lévő keveréküknek meg kell felelniük az akkumulátoralkalmazások speciális követelményeinek, ilyen például a kis viszkozitás és a nagy dielektromos állandó. Az elektrolittal szemben támasztott fő követelmények a nagy elektrokémiai stabilitás, az alacsony viszkozitás, valamint az optimális viszkozitás fenntartása széles hőmérsékleti tartományban. Ezen túlmenően a nagy hőmérsékleti stabilitás, az alacsony gőznyomás és a magas ionvezető képesség is fontos követelmény az elektrolit oldószereivel szemben.
 
B) Az elektrolitban használt lítiumsók
 
A lítium-hexafluor-foszfát (LiPF6) a kereskedelmi forgalomban kapható akkumulátorok elektrolitoldataiban leggyakrabban használt lítiumsó. Nagy vezetőképességgel rendelkezik, de nagyon reaktív, nedvességgel érintkezve HF (hidrogén-fluorid, folysav) felszabadulása mellett hidrolizál. Az elektrolitoldatban jelen lévő lítiumsó jellege igen fontos tényező a cella működése szempontjából, ugyanis befolyásolja az akkumulátor belső ellenállását és ezáltal a cella élettartamára is kihatással van. Megfigyelték, hogy a LiTFSI a szeparátor nedvesíthetőségét tekintve alkalmasabb a LiPF6-hoz és a LiClO4-hez képest a TFSI-anion jelenléte miatt; továbbá az oldószer polaritása is befolyásolja a szeparátor nedvesíthetőségét, ami befolyással van a lítiumionok szeparátorfólián történő áthaladása során. Ugyanakkor a LiPF6 használata a Li-ion-akkumulátorban előnyös, ugyanis az alumínium pozitív elektród áramhordozó felületén alumínium-oxifluorid passziváló védőréteg alakul ki a LiPF6 használata mellett, mely megvédi az alumíniumhordozót a folyamatos elektrokémiai korróziótól. Ezt a jellegzetességet ugyanakkor nem tudták kimutatni a LiTFSI lítiumsó használatával.
 
C) Elektrolitadalékok
 
Az elfogadott tudományos álláspont szerint a SEI- (solid electrolyte interface) képző anyagok, mint például a vinilén-karbonát (VC), metil-/etil-vinil-szulfon és a ciklikus szulfát (pl. etilén-szulfát (DTD)) vagy a 1,3-propánszulton (PS) olyan adalékanyagok a lítiumion-akkumulátorok elektrolitjaiban, amelyek segítenek a grafitanód stabilitásának növelésében felületi SEI1-filmképzés útján (SEI-képző és -módosító anyagok). Feltételezhető, hogy a Li-ion/oldószer kointerkaláció okozta grafitexfoliáció, amely az anódaktív anyag tipikus elektrokémiai öregedési mechanizmusa, mérsékelhető az elektrolitba adott etilén-szulfáttal (DTD).
 
1 A Solid Electrolyte Interphase (SEI) passziváló védőréteg, amely már az első használat (első töltés) során természetes módon képződik az akkumulátor elektródanyagai felületén. Ez alapvető fontosságú, mert stabilabbá és tartósabbá teszi az akkumulátor működését. Idővel azonban ez a réteg befolyásolhatja az akkumulátor teljesítményét. A SEI kialakulása az elektrolit és az elektródanyagok közötti reakcióknak köszönhető. A kutatók tanulmányozzák és szabályozni próbálják a SEI kialakulásának folyamatát, hogy az akkumulátorok hosszabb ciklusélettartammal és hatékonyan működjenek a mindennapi használat során. A SEI-réteg azért fontos, mert védőrétegként működik, és megakadályozza a további reakciókat az elektródaanyag és az elektrolit között. Ez a réteg hozzájárul az akkumulátor stabilitásához és hosszú élettartamához. Bár a SEI előnyös az akkumulátor általános teljesítménye szempontjából, idővel hatással lehet a kapacitására is. A SEI-réteg az ismételt töltési és kisütési ciklusok során változásokon mehet keresztül, ami befolyásolja az akkumulátor hatékonyságát.

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