Miért nem működnek jól a lítium-ion akkumulátorok hidegben? Egy akkumulátorkutató elmagyarázza.

Wesley Chang a gépészmérnöki és mechanikai adjunktus Drexel Egyetem.

Az újratölthető akkumulátorok kiválóan alkalmasak energia tárolására és elektronikai áramellátásra az okostelefonoktól az elektromos járművekig. Hideg környezetben azonban nehezebb lehet a töltésük, és akár meg is gyulladhatnak.

Gépészmérnök professzor vagyok, akit főiskola óta érdekelnek az akkumulátorok. Most vezetek a akkumulátor kutatócsoport a Drexel Egyetemen.

Éppen az elmúlt évtizedben figyeltem a lítium-ion akkumulátorok árának csökkenését a gyártási piac hatására sokkal nagyobbra nőtt. A jövőbeli előrejelzések szerint a piac elérheti évi több ezer GWh-t 2030-rajelentős növekedés.

A lítium-ion akkumulátorok azonban nem tökéletesek – ez a növekedés kockázatokkal jár, például hideg időben lelassul, sőt kigyullad.

A Li-ion akkumulátor mögött

Az akkumulátorokon belüli elektrokémiai energiatárolás úgy működik, hogy az elektromosságot ionok formájában tárolja. Az ionok olyan atomok, amelyek töltése nem nulla, mert vagy túl sok vagy nincs elég elektronjuk.

Amikor bedugja elektromos autóját vagy telefonját, a konnektorból biztosított áram hajtja ezeket az ionokat az akkumulátor pozitív elektródájáról a negatív elektródájába. Az elektródák szilárd anyagok egy akkumulátorban, amelyek képesek ionokat tárolni, és minden akkumulátornak van pozitív és negatív elektródája is.

Az elektronok elektromosságként haladnak át az akkumulátoron. Minden egyes elektronnal, amely egy elektródához jut, egy lítium-ion is átmegy ugyanabba az elektródába. Ez biztosítja a töltések egyensúlyát az akkumulátorban. Miközben vezeti az autót, a negatív elektródában tárolt ionok visszakerülnek a pozitív elektródára, és az ebből eredő elektromos áram meghajtja a motort.

Míg az AA vagy AAA elemek kisméretű elektronikai elemeket is képesek táplálni, csak egyszer használhatók, és nem tölthetők. Az újratölthető Li-ion akkumulátorok több ezer teljes töltési és kisütési cikluson keresztül működnek. Minden ciklushoz sokkal nagyobb mennyiségű töltést is tárolhatnak, mint egy AA vagy AAA elem.

Mivel a lítium a legkönnyebb fém, magas fajlagos kapacitás, vagyis súlyonként hatalmas mennyiségű töltést képes tárolni. Ez az oka annak, hogy a lítium-ion akkumulátorok nem csak a hordozható elektronikákhoz hasznosak, hanem a korlátozott tömegű vagy térfogatú közlekedési módok, például az elektromos autók táplálására is.

Az akkumulátor kigyullad

A lítium-ion akkumulátoroknak azonban vannak olyan kockázatai, amelyek az AA vagy AAA elemekkel szemben nem. Egyrészt nagyobb valószínűséggel gyulladnak ki. Például az elektromos kerékpárok száma akkumulátortüzeket jelentettek New Yorkban 30-ról közel 300-ra nőtt az elmúlt öt évben.

Számos különböző probléma okozhat az akkumulátor tüzet. Rosszul gyártott cellák hibákat tartalmazhat, például nyomokban szennyeződéseket vagy a gyártási folyamatból visszamaradt részecskéket, amelyek növelik a belső meghibásodás kockázatát.

A klíma az akkumulátor működését is befolyásolhatja. Az elektromos járművek értékesítése nőtt az Egyesült Államokban, különösen a hideg régiókban, például északkeleten és közép-nyugaton, ahol a hideg hőmérséklet gátolhatja az akkumulátor teljesítményét.

Az akkumulátorok elektrolitoknak nevezett folyadékokat tartalmaznak, és a hideg hőmérséklet lassítja a folyadékok áramlását. Így az akkumulátorokban lévő elektrolitok lelassulnak és besűrűsödnek a hidegben, aminek következtében a benne lévő lítium-ionok lassabban mozognak. Ez a lassulás megakadályozhatja, hogy a lítium-ionok megfelelően illeszkedjenek az elektródákba. Ehelyett lerakódhatnak az elektróda felületén és kialakulhatnak lítium fém.

Ha a töltés során túl sok lítium rakódik le az elektróda felületén, az belső rövidzárlatot okozhat. Ez a folyamat képes akkumulátor tüzet indítani.

Biztonságosabb akkumulátorok készítése

A kutatócsoportomsok mással együtt azt tanulmányozza, hogyan lehet hidegben hatékonyabban működő akkumulátorokat készíteni.

A kutatók például azt vizsgálják, hogyan cseréljék ki a szokásos akkumulátor-elektrolitot, és cseréljék ki egy alternatív elektrolitra, amely nem sűrűsödik be hideg hőmérsékleten. Egy másik lehetséges lehetőség az akkumulátorcsomag felmelegítése töltés előtt, hogy a töltési folyamat melegebb hőmérsékleten menjen végbe.

Csoportom a lítium-ionon túlmenően új típusú akkumulátorokat is vizsgál. Ezek lehetnek olyan akkumulátortípusok, amelyek stabilabbak szélesebb hőmérséklet-tartományban, olyan típusúak, amelyek egyáltalán nem használnak folyékony elektrolitokat, vagy olyan akkumulátorok, amelyek lítium helyett nátriumot használnak. A nátrium-ion akkumulátorok jól működhetnének, és olcsóbbak is lehetnek, mivel a nátrium nagyon bőséges erőforrás.

Szilárdtest akkumulátorok használjon szilárd, nem gyúlékony elektrolitokat, ami csökkenti a tűzveszélyt. De ezek az akkumulátorok nem működnek olyan jól, mint a Li-ion akkumulátorok, ezért további kutatásra lesz szükség annak megállapításához, hogy ezek jó választás-e.

A lítium-ion akkumulátoros energiatechnológiák, amelyeket az emberek minden nap használnak országszerte, és az ezeken a területeken végzett kutatások célja olyan megoldások megtalálása, amelyek még biztonságosabbá teszik ezt a technológiát a fogyasztók számára.

Ezt a cikket újra kiadták A beszélgetés Creative Commons licenc alatt.