Az akkumulátorciklus: NMC, LFP, LTO – Mi a különbség?

A lítium-ion akkumulátorok, mint például ez az elektromos járművet is, számos kémiai összetételben kaphatók.

Egy teljesen feltöltött akkumulátorcellában több milliárd lítium (Li) atom van az „anód” porózus tartályban, jellemzően egy bizonyos anyag vékony lemezében. Az anód és az ellentétes oldal, a „katód” vezetőképesen csatlakozik az akkumulátorcella pozitív és negatív pólusaihoz. Több száz vagy több ezer cellát állítanak össze egy akkumulátorrendszerben. Az anódban a lítium atomok vagy ionok készen állnak arra, hogy a katódba felé áramoljanak.

Ezt a nehézkes kémiát az anód és a katód külső csatlakoztatása váltja ki a többi eszközhöz, például inverterekhez, motorokhoz és áramforrásokhoz. Az áramkör zárása után az ionok sorba állnak, hogy kilépjenek a katód anódjából, és mindegyik elektront szabadít fel, amely hosszú kört tesz meg a külső áramkörön keresztül, hogy táplálja az eszközt – az akkumulátorokat elhagyó elektronok árama az elektromos áram. Minden ion és elektron újra egyesül a másik oldalon, amíg az akkumulátor újra fel nem töltődik.

A felszabaduló ionok a gyors szállításra tervezett közbenső közegen kényszerítik át magukat, miközben az anódot és a katódot külön tartják – mindössze mikrométeres távolságra – a rövidzárlat elkerülése érdekében, ami ha megtörténne katasztrofális következményekkel járna. Ennek a közbenső anyagnak áteresztőnek, könnyűnek és vékonynak, de szigetelőnek és robusztusnak kell lennie, ami fejfájást okoz a mérnököknek, és csökkenti az akkumulátor térfogatonkénti és súlyonkénti kapacitását. Az alacsony viszkozitású vegyi folyadékok vagy polimerek – az elektrolit – a jelenlegi megfogalmazásban mátrixba vagy „leválasztóba” merülnek. Egy másik lehetőség a szilárdtest lítium-ion akkumulátorok, ahol a folyékony elektrolitot és a szeparátort szilárd anyag, gyakran egzotikus kerámia helyettesíti. A szilárdtest akkumulátorok témája azonban egy önálló cikk lenne.

Miután áthaladtak az elektroliton és a szeparátoron, a lítium-ionok lassan elkerülik a zsúfoltságot a katódba való belépéskor, és egyenként lassan vándorolnak be új befogadó anyagukba, energetikailag előnyös pozíciókat találva a katódrácsban. Gondoljunk csak az üres vonatra felszálló utasokra: az elsők számos szabad helyet találnak, és gyorsan elfoglalják őket, így helyet biztosítanak a sorban álló követőknek. Minél több helyet foglalnak el, annál lassabb lesz a beszállási folyamat. Makroszkóposan nézve az akkumulátor töltése kezdetben gyors, de minél tovább tölt, annál lassabb lesz. Az elektromos autókban a töltés utolsó 20%-a akár a kezdeti 80%-ig is tarthat.

Degradáció

Az egész folyamat azonban valamivel bonyolultabb, mint egy vonatra szállni. Különböző anyagok sokaságával való ionkölcsönhatást foglalja magában, különböző sebességeken, hőmérsékleteken, feszültségszinteken és különböző folyamatokban. Az akkumulátor leromlásával kapcsolatos problémák olyan tényezőktől függenek, mint a hőmérséklet hatása az elektrolit viszkozitására, és így ennek a döntő útnak a folyamati sebessége. Továbbá, ahogy a „legjobb ülések” lépésről lépésre kerülnek kiválasztásra, a befogadó anyagok enyhén kitágulnak, ami mechanikai tágulási feszültséget eredményez, és potenciálisan belső repedésekhez és repedésekhez vezethet. Nyilvánvaló, hogy az akkumulátor töltési, kisütési és üzemeltetési módja drámai módon befolyásolja a jól ismert kapacitásvesztéshez vezető degradációs folyamatok nagyságát és sebességét, valamint a biztonság szempontjából kritikus mellékfolyamatokat.

A különböző akkumulátor-kémiákat és a fent említett rövidítéseket tekintve az anódtartály hagyományosan grafitból készül, igaz, számtalan titkos adalékanyaggal, gyártási és feldolgozási variációval. Az LTO akkumulátorok kivételt képeznek.

A katódok esetében a dolgok bonyolultabbá válnak. A különböző mennyiségű nikkelből (Ni), mangánból (Mn), vitatott kobaltból (Co) és néha alumíniumból (Al) és más titkos adalékanyagokból készült katódanyagokat NMC-nek vagy NCA-nak (nikkel-kobalt-alumínium) nevezik. Az ilyen katódok általában nagy energiasűrűséggel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy térfogatonként nagy számú lítium-ion befogadására alkalmasak, de rövidebb élettartamuk, alacsonyabb biztonsági ráhagyásuk és magasabb árcédula van, mint a rivális vegyi anyagok.

Az autóipar energiasűrűség és hatótávolság iránti éhségének kielégítésére a mérnökök növelték a nikkeltartalmat – az első NMC-akkumulátorok a három alkatrészből egyenlő arányt tartalmaztak, NMC 1-1-1-nek nevezték el őket, és megfelelő energiasűrűséget és robusztus biztonsági jellemzőket kínáltak. Manapság az ipar nyolcszor több Ni-t ad hozzá az NMC 811 akkumulátorokhoz, mint a mangán és a kobalt. Ezek sokkal nagyobb hatótávolságot, de lényegesen rövidebb élettartamot és biztonsági jellemzőket kínálnak. 

Ezzel szemben a második domináns katódtípus a lítium-vas-foszfát, más néven LiFePO ₄ vagy lítium-ferrofoszfát. Ezek a katódok alacsonyabb energiasűrűséggel rendelkeznek, mint az NMC eszközök, de robusztusabbak és – legalábbis hagyományosan – megfizethetőbbek. Az egyre népszerűbb, LFP-alapú akkumulátorokat szinte teljes egészében kínai gyártók gyártják. Az LFP rendszereket hátráltatja az a tény, hogy feszültségük alig változik az akkumulátor töltöttségi szintjének széles tartományában. A töltöttségi állapot vagy az SOC az akkumulátor töltöttségének vagy energia mennyisége. A kevésbé rugalmas feszültség megnehezíti a rendszerek kiegyensúlyozását és vezérlését, valamint az SOC meghatározását, és az LFP-alkalmazásokat általában hajlamossá teszi váratlan működési problémákra és leállásokra, tovább rontva alacsonyabb energiasűrűségüket.

LTO eszközök

Mint említettük, létezik egy egzotikus akkumulátorváltozat, amely lítium-titanátot (lítium-titán-oxidot vagy LTO-t) használ az anódhoz, nem pedig grafitot, amelyet néha LFP katóddal párosítanak. Ezek az eszközök nagyon alacsony energiasűrűséget kínálnak (még alacsonyabb, mint a hagyományos nikkel-fém-hidrid, NiMH, kémia), és 50-150%-ba is kerülhetnek, mint az NMC-cellák, mivel 10-30-szor jobb biztonsági és hosszú élettartamú teljesítményt nyújtanak, mint az LFP. és NMC rendszerek.

A rendelkezésre álló lítium-ion kémia óriási választéka lehetőséget kínál a cellagyártóknak, hogy a teljesítményt egyik vagy másik irányba tolják. Bár a paraméterek ennek következtében változhatnak, a közeljövőben reálisan nem várható óriási ugrás az energiasűrűségben a lítium-ion esetében, anélkül, hogy negatív hatással lenne az olyan szempontokra, mint az élettartam.