Akumulator litowo-jonowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Akumulator Li-ion firmy Motorola z telefonu komórkowego po zdjęciu obudowy, na zdjęciu widoczny układ kontroli i nadzoru ładowania/rozładowania
Akumulator litowo-jonowy, Varta
Akumulator Li-ion 3,7 V/700 mAh do telefonu komórkowego
Akumulator i elementy obudowy przed zmontowaniem.
Wikimedia Commons

Akumulator litowo-jonowy (Li-Ion) – rodzaj akumulatora elektrycznego, w którym jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla, a druga z tlenków metali, zaś rolę elektrolitu pełnią złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Akumulatory tego typu produkują 3,6 V na ogniwo. Technologia ta pozwala na skumulowanie dwa razy więcej energii niż w akumulatorach NiMH o tym samym ciężarze i wielkości. Efekt pamięci oraz efekt leniwej baterii nie występuje.

Zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych[edytuj | edytuj kod]

Z racji tego, że akumulatory litowo-jonowe są jednymi z najlżejszych, są one stosowane przede wszystkim we wszelkiego rodzaju sprzęcie elektronicznym. Obecnie, najczęściej wykorzystuje się je w laptopach, telefonach komórkowych oraz innych urządzeniach przenośnych.

Od pewnego czasu rośnie także zainteresowanie użyciem dużych pakietów akumulatorów litowo-jonowych (zazwyczaj od 20 do nawet 100 kWh) w pojazdach elektrycznych. Wprowadzenie do produkcji samochodów i ciężarówek elektrycznych na skalę masową może w niedalekiej przyszłości wielokrotnie zwiększyć produkcję ogniw litowo-jonowych. Także producenci pojazdów z napędem hybrydowym coraz częściej zaczynają stosować ogniwa litowo-jonowe zamiast NiMH[1].

Ogniwa litowo-jonowe stosowane w pojazdach elektrycznych znacznie różnią się od tych stosowanych w sprzęcie elektronicznym. Różnice wynikają przede wszystkim z większych wymagań związanych z warunkami pracy oraz większą wymaganą trwałością, sięgającą nawet 10 lat. Ponadto pakiety wyposażone są w specjalne układy chłodzenia i ogrzewania, zapewniające optymalną temperaturę pracy. Ogniwa litowo-jonowe używane w pojazdach mogą być także szybko ładowane, zazwyczaj od 0 do 80% w 15-30 minut bez znaczącego wpływu na ich żywotność.

Przykładem wykorzystania, stosowanych w laptopach, ogniw litowo-jonowych typu 18650 (o najwyższej jakości oraz z dodatkowymi zabezpieczeniami) jest sportowy samochód elektryczny Tesla Roadster, w którym zastosowano aż 6831 ogniw[2]. Wielu producentów samochodów planuje jednak w swoich pojazdach użyć ogniw wielkoformatowych, o dużych pojemnościach np. Nissan Leaf[3]. Prawdopodobnie największe pakiety akumulatorów litowo-jonowych (nawet 280 kWh) są stosowane w ciężarówkach i ciągnikach siodłowych firmy Balqon Corporation[4][5].

Akumulatory litowo-jonowe są ostatnio stosowane także jako stacjonarne magazyny energii przy odnawialnych źródłach energii, które charakteryzują się znaczną niestabilnością pracy.

Innym, wciąż eksperymentalnym zastosowaniem akumulatorów litowo-jonowych jest lotnictwo.

Wskazówki przedłużające życie akumulatorów Li-ion[edytuj | edytuj kod]

  • Akumulatory Li-ion, w przeciwieństwie do akumulatorów NiCd czy NiMH, powinny być ładowane często i jak najszybciej po rozładowaniu. Jeśli jednak nie będą używane przez dłuższy okres, powinny zostać rozładowane do około 40%. W takim stanie akumulator ma znacznie wyższą żywotność. Jeżeli akumulator będzie przechowywany w stanie całkowitego rozładowania, może ulec uszkodzeniu[6].
  • Akumulatorów tego typu nie trzeba formować, w przeciwieństwie do starszych typów.
  • Należy ograniczyć lub nie używać wcale funkcji, które powodują pełne rozładowanie się baterii (spotykane w laptopach i telefonach komórkowych pracujących z bateriami niklowymi)[7].
  • Akumulator powinien być przechowywany w chłodnym miejscu. Nie powinien być jednak poddawany działaniu mrozu. Przechowywanie w wysokich temperaturach (np. w nagrzanym samochodzie lub w pobliżu grzejnika) przyśpiesza proces starzenia.

Uwaga[edytuj | edytuj kod]

Akumulatory Li-ion mogą wyciec, zapalić się lub wybuchnąć, jeśli zostaną nagrzane do wysokich temperatur. Nie należy ich przechowywać w samochodzie podczas upalnych i słonecznych dni. Zwarcie akumulatora może spowodować zapłon lub eksplozję. Nie należy również otwierać akumulatora. Akumulatory Li-ion zawierają urządzenia zabezpieczające, które, jeśli zostaną uszkodzone, również mogą spowodować, że akumulator zapali się lub wybuchnie. Ładowanie takiego akumulatora jest niebezpieczne. Podczas ładowania ogniwo (akumulator) rozgrzewa się co może doprowadzić do wybuchu.

Ładowanie[edytuj | edytuj kod]

Akumulatory litowo-jonowe muszą być ładowane 2-fazowo:

  1. ładowanie stałym prądem o wartości odpowiedniej dla danego ogniwa, aż ogniwo osiągnie 4,20 V
  2. ładowanie stałym napięciem 4,20 V, aż prąd spadnie do 50mA [8] (dla pewnych typów ogniw Li-ion o napięciu znamionowym 3,70 V napięcie ładowania wynosi 4,10 V na ogniwo), lub do założonego ułamka wartości (np. 2 do 10%) prądu płynącego w pierwszym etapie.

Nie należy rozładowywać ogniw Li-ion do napięcia niższego niż 2,75V [8] do 3,2 V na ogniwo[potrzebne źródło].

Materiały stosowane komercyjnie[edytuj | edytuj kod]

Rosnące zapotrzebowanie na akumulatory doprowadziło sprzedawców oraz pracowników naukowych do zwiększenia uwagi nad poprawą gęstości energii, temperatury pracy, bezpieczeństwa, trwałości, czasu ładowania, mocy wyjściowej oraz kosztami stosowania litu w bateriach typu Li-ion. Następujące materiały były stosowane w handlowo dostępnych komórek.

Elektroda dodatnia[edytuj | edytuj kod]

Elektroda dodatnia
Technologia Producent Zastosowanie Rok Plusy technologii
"NMC", LiNixMnyCozO2 Imara Corporation, Nissan,[9] [10] Microvast Inc. 2008 pojemność, wydajność, bezpieczeństwo
"LMO", LiMn2O4 LG Group,[11] NEC, Samsung,[12] Hitachi,[13] Nissan/AESC,[14] EnerDel[15] Pojazdy hybrydowe, telefon komórkowy, laptop 1996 trwałość, koszty
"LFP", LiFePO4 University of Texas,[16] Phostech Lithium Inc., Valence Technology, A123Systems/MIT [17][18] narzędzia z napędem elektrycznym, lotnictwo, samochodowe systemy hybrydowe, konwektory PHEV 1996 umiarkowana gęstość energii (2 A·h przy 70 amperów) temperatura pracy
"Li-Air") IBM, Polyplus[19] Motoryzacja 2012 Gęstość energii: powyżej 10 A·h na gram materiału elektrody dodatniej.

Elektroda ujemna[edytuj | edytuj kod]

Elektroda ujemna
Technologia Gęstość Trwałość Firma Zastosowanie Rok Plusy technologii
Grafit Główny materiał anodowy stosowany w bateriach typu Li-ion. 1991 tani, duża gęstość
"LTO", Li4Ti5O12 9,000 Toshiba, Altairnano motoryzacja, sieci elektryczne (PJM Interconnection Regional Transmission Organization[20] 2008 wydajność, czas ładowania, trwałość, bezpieczeństwo
Twardy węgiel Energ2[21] Rynek elektroniczny 2013 największa pojemność
Cyna/stop kobaltu Sony Sony Nexelion battery 2005 większa pojemność niż baterii z anodą grafitową (3.5 Ah 18650-type battery)
Krzem/węgiel Gęstość energii: 580 W·h/l Amprius[22] smartfony, zapewnia pojemność 1850 mA·h 2013

Przypisy

  1. SamochodyElektryczne.org.
  2. Tesla Roadster z ogniwami li-ion typu 18650.
  3. Nissan Leaf - samochód elektryczny z akumulatorami litowo-jonowymi.
  4. Elektryczny ciągnik siodłowy Nautilus E-30.
  5. Elektryczna ciężarówka Balqon Mule M150.
  6. Ryszard Sobkowski: Jak nie zabijać akumulatora?. PCLab.pl, 2007-05-08. [dostęp 2010-12-10].
  7. Marcin Żyto: Wydłużanie pracy baterii w laptopie. Tweaks.pl, 2008-04-08. [dostęp 2010-12-10].
  8. 8,0 8,1 Jedna z not katalogowych Sanyo obecnie Panasonic.
  9. http://www.imaracorp.com Imara Corporation website
  10. O'Dell, John (17 December 2008) http://blogs.edmunds.com/greencaradvisor/2008/12/fledgling-battery-company-says-its-technology-boosts-hybrid-battery-performance.html Fledgling Battery Company Says Its Technology Boosts Hybrid Battery Performance Green Car Advisor; Edmunds Inc. Retrieved 11 June 2010.
  11. Jost, Kevin [ed.] (October 2006). Tech Briefs: CPI takes new direction on Li-ion batteries (PDF). aeionline.org; Automotive Engineering Online.
  12. Voelcker, John (September 2007). http://www.spectrum.ieee.org/sep07/5490/2 Lithium Batteries Take to the Road IEEE Spectrum. Retrieved 15 June 2010
  13. http://green.autoblog.com/2010/04/23/hitachi-develops-new-manganese-cathode-could-double-life-of-li/ Hitachi develops new manganese cathode, could double life of li-ion batteries |first=Eric |last=Loveday |date=23 April 2010|accessdate=11 June 2010
  14. Nikkei (29 November 2009)http://www.greencarcongress.com/2009/11/nissan-nmc-20091129.html Report: Nissan On Track with Nickel Manganese Cobalt Li-ion Cell for Deployment in 2015 Green Car Congress (blog). Retrieved 11 June 2010.
  15. EnerDel Technical Presentationhttp://web.archive.org/web/20080414071700/
  16. Elder, Robert and Zehr, Dan (16 February 2006). Valence sued over UT patent Austin American-Statesman (courtesy Bickle & Brewer Law Firm)..
  17. New Type of Battery Offers Voltage Aplenty, at a Premium|first=William M. |last=Bulkeley |newspaper=The Day |date=26 November 2005 |page=E6 |http://news.google.com/newspapers?id=fCAiAAAAIBAJ&pg=1148,5896335
  18. A123Systems (2 November 2005). http://www.greencarcongress.com/2005/11/a123systems_lau.html A123Systems Launches New Higher-Power, Faster Recharging Li-Ion Battery Systems Green Car Congress; A123Systems (Press release). Retrieved 11 May 2010.
  19. http://www.wired.com/wiredenterprise/2012/04/ibm-supercomputers-battery/ |title=IBM Demos Uber Battery That 'Breathes' | Wired Enterprise|publisher=Wired.com|date=20 April 2012 |accessdate=22 June 2012
  20. http://www.b2i.us/profiles/investor/ResLibraryView.asp?ResLibraryID=27574&GoTopage=1&BzID=546&Category=1183&a= |title=... Acceptance of the First Grid-Scale, Battery Energy Storage System |publisher=Altair Nanotechnologies |date=21 November 2008 |accessdate=8 October 2009
  21. Synthetic Carbon Negative electrode Boosts Battery Capacity 30 Percent | MIT Technology Review. Technologyreview.com (2 April 2013). Retrieved on 16 April 2013.
  22. http://techland.time.com/2013/05/23/amprius-begins-shipping-a-better-smartphone-battery/ |title=Amprius Begins Shipping a Better Smartphone Battery | TIME.com |publisher=Techland.time.com |date=2013-05-23 |accessdate=2013-06-04