Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

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

1.5.2. A negatív elektródanyagok öregedési mechanizmusai

A grafitanód-alapú akkumulátorok fő öregedési mechanizmusa a SEI növekedésével kapcsolatos [35], [36]. A SEI az elektrolit (általában LiPF6) és oldószerei (például EC, DEC, DMC) lítiummal (Li+) történő redukciója során keletkező származéktermék. Összetétele összetett [37], [38] (a lítium szerves és szervetlen származékai), és a jelen lévő kémiai anyagok függvénye, ilyenek például a Li2O, LiF, Li2CO3, poliolefinek, egyéb szerves karbonátok. A SEI kezdeti kialakulása (az első töltések során) a reverzibilisen kivonható lítiumionok mennyiségének gyors csökkenését eredményezi. A jól kialakult SEI az akkumulátor élettartama szempontjából kulcsfontosságú a negatív elektród anyagát védő és az azon bekövetkező elektrolitbomlást hátráltató hatása miatt, másrészt a rossz SEI nem állítja meg a növekedést és az irreverzibilis és folyamatos lítiumfogyasztását [36], [39]. A SEI minősége függ a legelső töltések (formázás) körülményeitől (pl. sebesség, hőmérséklet; lásd később a gyártástechnológiai részt – a formázási lépés kulcsfontosságú szerepét és megvalósításának szigorúan titkosan kezelt részleteit), valamint az elektrolit és oldószerének összetételétől. Ideális esetben a kialakult SEI egyszerre elektromosan szigetelő, de lítiumion-vezető, valamint megakadályozza, hogy az elektrolit más összetevői (pl. oldószer-molekulák) a grafit szerkezetébe kerüljenek. A SEI-nek tehát kettős védelmi szerepe van:

megvédi a grafitot a lítiumtól eltérő kémiai anyagok támadásaitól,
védi az elektrolitot a redukciótól.

A SEI növekedése az akkumulátor teljes élettartama alatt folyamatos, mivel a SEI védő szerepe nem tökéletes és az elektrolitikus redukciós reakció továbbra is zajlik. Ennek következménye a reverzibilisen felhasználható, elektrokémiailag aktív lítiumion fogyasztása, az impedancia növekedése (az ionos vezetőképesség csökkenése által) és ezzel a kapacitás csökkenése (a belső ellenállás növekedése okán). Az akkumulátor tárolási körülményei (magas hőmérséklet és magas SoC-állapot) és az elektrokémiai használat során a cellán belül kialakult anyagok (lásd az elektrolit savasodása, fémek oldódása a pozitív elektródból stb.) roncsolhatják a SEI-t.

Ha a SEI degradálódik, például megrepedhet (pl. az elektród gazdaanyagának elektrokémiai (de)lítiálás által kiváltott, periodikus térfogatváltozásai során, lásd alább), akkor ez elősegíti a grafit más vegyületekkel történő reakcióit. Ezek a nem kívánt mellékreakciók az aktív anyag elvesztését (ez esetben a grafit pusztulását) okozzák, például grafitexfoliáció révén. Másrészt a SEI-ben keletkező repedések ismét lehetővé teszik az elektrolit redukciós reakcióját, ami a reverzibilisen felhasználható lítium újabb veszteségeit vonja maga után [35], [36], [39]. A grafitelektródokban jelen lévő másik típusú öregedési mechanizmus a mechanikai feszültségekkel kapcsolatos. A grafitrészecskéken belül több mechanizmus is létrehozhatja ezeket a mechanikai feszültségeket: először is a grafit a lítiálás során térfogatváltozásokon megy keresztül (10%-os nagyságrendben). Ezenkívül a további lítium bevitele a lítiált grafitba megváltoztatja a grafit szerkezetét a lítium bevitelének sebességétől függően.

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2025

ISBN: 978 963 664 126 9

Műszaki tudományok

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//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero