Kun Róbert (szerk.)

Energiatárolási és akkumulátoripari alapismeretek

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


2.1.1. Szilárdtest-Li-ion-akkumulátorok

A hagyományos lítiumion-akkumulátor folyékony elektrolitot használ a lítiumionok anódról katódra és fordítva történő szállításának biztosítására. A szilárdtest-lítiumakkumulátorok (all solid state battery – ASSB) ezzel szemben szerves vagy szervetlen szilárdtest-elektrolitot használnak. Az ASSB egyik előnye a nagyobb energiasűrűség mellett [45] a szerkezet egyszerűsége, mivel a szilárd elektrolit nemcsak a lítiumionokat vezeti, hanem az elektródok közötti szeparátorként is szolgál. Az egyszerűbb cellafelépítés és az elektrokémiai inaktív anyagok mennyiségének csökkentése jelentősen megnövelt, 450–500 Wh/kg fajlagos energiát eredményez. Valójában a szilárdtest-lítiumakkumulátorok működési elve megegyezik a hagyományos, folyékony elektrolitos Li-ion-akkumulátorokéval. Töltés közben a lítiumionok a katódból kiépülnek, és az elektroliton keresztül az anódhoz szállítódnak, míg az elektronok a külső áramkörön keresztül az anód felé mozognak. A lítiumionok az elektronokkal redukció útján elemi lítiummá egyesülnek.
 
A szilárd elektrolitok típusai szilárdtest-lítiumakkumulátorokban
 
a) Polimer elektrolitok
 
A polimer elektrolitok számos olyan sajátos tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek különösen előnyösek a szilárdtest-Li-ion-akkumulátorok gyártásához. A polimer elektrolitokat összetételük, oldószer- és töltőanyag-tartalmuk szerint osztályozhatjuk. Alapvetően a gélesített folyékony szerves elektrolitok nem tekinthetők „szilárdtest”-elektrolitnak, mindazonáltal a szervesoldószer-alapú, alacsony viszkozitású elektrolitot a polimer hozzáadásával immobilizálják (azaz gélesítik). Emellett megkülönböztethetünk „só a polimerben” és „polimer a sóban” szilárd elektrolitokat. Ahogy a nevük is mutatja, a só/polimer arány széles tartományban változtatható. Léteznek „gumiszerű” és ami a legfontosabb, valódi, úgynevezett „száraz polimer elektrolitok” (dry solid polymer electrolyte – DSPE) is, amelyekben a polimer mátrix maga is képes Li-iont tartalmazó komplexek felépítésére, tehát a polimer mátrix jó oldószere a hozzáadott lítiumsónak.
A polimer elektrolitok továbbá számos előnnyel rendelkeznek az üveges, azaz amorf állapotú vagy kerámia típusú elektrolitokkal szemben, mivel számos automatizált, korszerű ipari eljárással, például extrudálással, laminálással, meleghengerléssel, préseléssel alakíthatók. Emellett mechanikailag rugalmasak, könnyűek és vastagságuk szabályozható (tíz mikrométeres nagyságrendben) [46]. Egy elektrokémiai cellán belül a polimerek előnye a rugalmasság, a „kvázifolyékony” jelleg és a szilárd határfelületek nedvesítésének képessége, ami lehetővé teszi, hogy az elektród/elektrolit határfelületeken alacsonyabb határfelületi töltésátadási ellenállást biztosítsanak. Továbbá a legtöbb szervetlen szilárd elektrolittal ellentétben a lítium (de)interkaláció során az aktív anyagok nagy térfogatváltozásait is pufferelni tudják. A szilárdtest-Li-ion-akkumulátorok számára a leginkább vizsgált DSPE a poliéter típusú polietilén-oxid (PEO), amelyet például a lítiumsó lítium-bisz(trifluor-metán-szulfonil)imiddel (LiTFSI) dúsítanak.
A PEO kiváló lítiumsó-szolváló tulajdonságokkal rendelkezik. A Lewis-bázisnak számító poláros éterfunkciók ugyanis lehetővé teszik a lítiumkation erős komplexképzését, ami megkönnyíti a só oldódását a polimermátrixba. Emellett az éterfunkciók stabil passziváló réteget képeznek a fémes lítiumanód felületén, így lehetővé teszik a Li/elektrolit határfelület megfelelő működését [47]. Elektrokémiai szempontból a PEO elektrolit lehetővé teszi, hogy egy teljesen szilárd akkumulátort állítsunk össze, amelynek negatív elektródja akár fémes lítium is lehet. A PEO-alapú szilárdtest Li-ionos elektrolitok egyetlen hátránya, hogy szobahőmérsékletű Li-ionos vezetőképességük kb. 3-4 nagyságrenddel kisebb, mint a legkorszerűbb szervesoldószer-alapú elektrolitoké (azaz 10–6 S/cm vs. 10–2 S/cm). Ennek ellenére magas hőmérsékleten, a polimer elektrolit olvadáspontján túl jól teljesítenek, de az akkumulátorcsomag kb. 70 °C körüli folyamatos fűtése és temperálása rontja az energiamérleget.
 
b) Szervetlen elektrolitok
 
A szervetlen szilárd elektrolitok széles családja számos fontos anyagot tartalmaz, amelyeket a lítiumionok vezetésére vonatkozó tulajdonságaik alapján vizsgáltak. Általában ezek az anyagok szobahőmérsékleten nagyobb ionvezető képességgel rendelkeznek, mint a DSPE-k, sőt elérhetik a hagyományos folyékony elektrolitok ionvezető képességét [48]. Ezen szervetlen elektrolitok tulajdonságai azonban anyagonként nagyon eltérőek lehetnek. Általában három fő kategóriába sorolhatjuk őket: szulfidok, oxidok és üveges típusú elektrolitok.
 
Szulfid típusú szilárdtest-elektrolitok
 
A szulfidelektrolitok vezetőképessége általában magasabb, mint az oxidoké, a nagyobb polarizálhatóság és a kén oxigénhez képest nagyobb mérete miatt. A másik fő előnyük az oxidokkal szemben az, hogy szobahőmérsékleten vagy viszonylag alacsony (<400 °C) hőmérsékleten kompaktálhatók, rugalmassági (Young-) modulusértékük az oxidok és a polimerek között van. Másfelől a szulfidok magascella potenciálon kevésbé stabilak, nagyon érzékenyek a levegőre, és az akkumulátorcella meghibásodása esetén valószínűleg mérgező vegyületeket (H2S) képeznek [49]. A közelmúltban a szulfid típusú elektrolitok három családját vizsgálták lítiumvezetési tulajdonságaik szempontjából: a Li2S–P2S5 rendszerű kerámiákat, a Li10GeP2S12 (LGPS) típusú kristályos vegyületeket és a Li6PS5X (X = Cl, Br, I) típusú argirodit típusokat.
 
Oxid típusú szilárdtest-elektrolitok
 
Az oxid típusú elektrolitok az utóbbi években szintén kiterjedt tanulmányok tárgyát képezték. A szulfidokhoz képest általában jobb kémiai és elektrokémiai stabilitással rendelkeznek a lítiumfém anóddal szemben, és könnyebben kezelhetők a feldolgozás során. Vezetőképességük az évek során és a fejlesztéseknek köszönhetően növekedett, de még nem éri el a szulfid típusú elektrolitok szintjét. A fő hátrányuk továbbra is az, hogy a vegyületek kristályosításához és a kompaktáláshoz magas hőmérsékletű hőkezeléseket kell végezni. Az oxid- és kerámiaalapú vékony elektrolitmembránok nagyüzemi gyártása is még fejlesztés alatt áll.
 
Üveges típusú szilárdtest-elektrolitok
 
A lítium-foszfor-oxinitrid (LiPON) tipikus üvegszerű, amorf, Li-ion-vezető elektrolit, amely kétségtelen előnyöket mutat. A LiPON nem ugyanazokkal a jellemzőkkel rendelkezik, mint a fentebb bemutatott szervetlen szilárdtest-elektrolitok. Ezt az üvegszerű vegyületet általában Li3PO4-ból kiindulva, fizikai rétegleválasztást alkalmazva, vékonyréteg formájában (reaktív katódporlasztással) nyerik nitrogénplazmában, Li3-xPO4- vegyületet képezve. A LiPON-t az 1990-es években Bates és munkatársai [50] mutatták be az ANL Argonne National Laboratoryban. Az így kapott néhány száz nanométeres vékonyréteg meglehetősen alacsony, 10–6–10–5 S/cm közötti szobahőmérsékleten meghatározott ionvezető képességgel rendelkezik, ami hátránynak tekinthető. Ez az eljárás azonban lehetővé teszi, hogy nagyon tiszta felületek keletkezzenek, és ezek szoros fizikai kapcsolatot alakítsanak el az elektródrétegekkel. A LiPON másik előnye a nagy elektrokémiai stabilitási határai (0–5,5 V vs. Li), a fémes lítiummal és valamennyi pozitív elektródaktív anyaggal való kémiai és elektrokémiai kompatibilitása. Ennek köszönhetően a LiPON-elektrolit a szilárdtest-Li-ion-mikroakkumulátorok alkalmazásaiban referenciaanyag lett a kutatás-fejlesztési munkák során.
 

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