Lítium Ion akkumulátorok jellemzése

Kedves Olvasó

 

Ez a bejegyzés, az új technológiás akkumulátorok bemutatásáról szóló cikksorozat első része. Ezért a legelterjedtebb akkumulátor típus bemutatásával kezdünk, ami nem más mint a Li-Ion akkumulátor.

Első körben vegyük sorra, azt hogy milyen paraméterek alapján jellemezhetőek a különböző típusú lítium akkumulátorok.

Legfontosabb tulajdonságok:
  • Felépítés, kémiai összetevők
  • Kapacitás és energiasűrűség
  • Élettartam
  • Biztonság és alkalmazási környezet

 

– Angol nyelvű cikk az alább kifejtett témákról –

 
Lítium Ion akkumulátorok jellemzése – elvi felépítés, és kémiai összetevők:

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése- sematikus ábra

Ez a felépítés nem nagyon változik a többi lítium akkumulátor esetén sem, csak a kémiai összetevők. A kémiai összetevőket az alábbi Táblázat szemlélteti a legjobban:

Kémiai Megnevezés Képlet Technológia neve Felhasználási terület
Lítium Kobalt Oxid LiCoO2 LCO Telefonok, Laptopok, Kamerák, Hobby
Lítium Mangán Oxid LiMn2O4 LMO Elektromos járművek, akkumulátoros gépek
Lítium Nikkel Mangán Kobalt Oxid LiNiMnCoO2 NMC Elektromos járművek, akkumulátoros gépek
Lítium Vas foszfát LiFePO4 LFP Elektromos járművek, akkumulátoros gépek
Lítium Nikkel Kobalt Alumínium Oxid LiNiCoAlO2 NCA Elektromos járművek, napelemes energia tárolás
Lítium Titán Li4Ti5O12 LTO Elektromos járművek, napelemes energia tárolás

Ezek közül kilóg még egy másik Lítium akkumulátor technológia, az Lítium polimer. Viszont az sem felépítésében sem anyaghasználatban nem nagyon illik ide, ezért arról majd külön ejtünk szót egy másik bejegyzésben. A felhasználási területek közül, még természetesen akad jó néhány, de a táblázat mérete miatt csak a leggyakoribb felhasználást írtam oda. A LiFePO4 akkumulátorokat például egyre sűrűbben alkalmazzák napelemes rendszerek mellé energia tárolásra a hosszú élettartamuk miatt.

 

Lítium Ion akkumulátor gyakorlati megvalósítások:

 

Elég sokféle kialakításban kaphatóak a Li-Ion akkumulátorok, de a leggyakoribb a telefonokban és egyéb hordozható eszközökbe gyártott fóliás kivitelezés, és a hengeres fém testbe gyártott cellák, mint a 18650, 21700 etc. A az elmúlt 2-3 évben pedig a műanyag dobozos cellák formájában jelentek meg nagyobb kapacitású LFP cellák. 

 

Telefon akkumulátor kialakítása:

 

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése - Phone battery

Az alábbi képen nagyon jól látható, hogy egy ilyen akkumulátor hány „rétegből áll”:

 

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése - Röntgen kép

 

Hengeres kialakítású lítium ion akkumulátorok elvi elrendezése:

 

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése - Hengeres kialakítás

 

Felezett 18650-es akkumulátor:

 

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése - 18650 vágott kép

Végeredményben, hogy lássuk, hogy nincs új nap alatt, az elmúlt 2-3 évben megjelent LFP akksiknál sem változott az elrendezés:

 

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése - LFP akkumulátor

 
Lítium Ion akkumulátorok jellemzése – Energiasűrűség, kapacitás, feszültségszintek:

 

Energia sűrűség:

 

Kémiai Megnevezés Technológia neve
Energia sűrűség
Lítium Kobalt Oxid LCO 150-200 Wh/kg
Lítium Mangán Oxid LMO 100-150 Wh/kg
Lítium Nikkel Mangán Kobalt Oxid NMC 150-220 Wh/kg
Lítium Vas foszfát LFP 90-160 Wh/kg
Lítium Nikkel Kobalt Alumínium Oxid NCA 200-260 Wh/kg
Lítium Titán LTO 50-80 Wh/kg

 

Látható, hogy az energia sűrűség terén mennyire különböző értékek fordulnak elő a különböző kémiai tulajdonságok miatt. Viszont a gyengébb energia sűrűség általában olyan tulajdonságokkal párosulnak, amik bizonyos paramétereikben nagyon kedvezővé teszik a kisebb energia sűrűségű akkumulátorokat is. Ilyen lehet például a hőmérsékleti szélsőségek tűrése a vagy a hosszú élettartam, de ide tartozik az is hogy nem minden akkumulátor felel meg a tűzveszélyességi besorolások miatt a különböző biztonsági előírásoknak.

Kapacitás:

A Li-ion akkumulátorok kapacitása az jellemzően attól függ, hogy mekkora a méretük és milyen áramerősséggel szeretnénk meríteni. A merítést általában a gyártók „C”-ben határozzák meg, ami az akkumulátor kapacitásából számolandó.

Tehát az egyszerűség kedvéért, ha van egy 2000 mAh-s akkumulátorunk, aminek a merítési árama 10A-ben van meghatározva, annak a C-rate értéke 5. Tehát a példában szereplő 2000 mAh-s akkumulátort 5C-vel lehet meríteni. Ezért van, az hogy a szerszámgépekhez általában az alacsonyabb kapacitású cellákat használják, amiknek nagy a C-rate értéke, tehát nagy árammal lehet meríteni. Itt akkor adja magát a dolog, hogy feltegyük a kérdést, hogy az ilyen magas merítési áramú celláknak miért alacsonyabb a kapacitása.

A válasz roppant egyszerű: a cellán belül vastagabb az anód és a katód, ezért kevesebb elektrolit fér azonos méretű cellába. Ezért annyira fontos, hogy mindig a megfelelő tulajdonságokkal rendelkező akkumulátort használjuk a megvalósítani kívánt célhoz. Jó példa erre az, hogy miért a LiPo akksikat használjuk pl a drónokhoz. A LiPo akkumulátor nem csak a súlya miatt optimálisabb, mert energia az sűrűsége 140-200 Wh/kg, ami nem jobb mint bármelyik másik Lítium akkumulátoré. Viszont a merítési árama miatt sokkal optimálisabb 4db coreless motor elindításához. A LiPo akksik átlag 10C fölöttiek, de inkább ennek a többszörösére képesek pillanatnyilag. Van egy rájuk jellemző másik érték is a „burst C rate”. A „burst C rate” akár 60-80 közötti is lehet. Ez azt jelenti, hogy egy 1000 mAh kapacitású LiPo akksi 10C merítéssel, képes leadni 10A áramot folyamatosan. Nyilván rövid ideig a „Burst C rate” miatt ez akár 60-80 A is lehet, de a DC motoroknál a hirtelen nagy áramfelvétel mondhatni „előfordul”.

 
Feszültség szintek:

 

Ezt a részt egy táblázattal elintézzük, mert a különböző számítások elvégzéséhez, ezen nincs mit túl ragozni.

Technológia neve
Vmax (V)
Vlow (V) 90% (V) 10% (V)
LCO 4.2 2.5 3.78 2.75
LMO 4.2 2.5 3.78 2.75
NMC 4.2 2.5 3.78 2.75
LFP 3.65 2.5 3.285 2.75
NCA 4.2 3 3.78 3.3
LTO 2.85 1.8 2.565 1.98

 

Ezek az értékek átlag értékek, és gyártónként és akkumulátor típusonként eltérhetnek.

 

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése – élettartam:

 

Technológia neve
Élettartam (Teljes töltés merítés ciklusban)
LCO 500-1000
LMO 300-700
NMC 1000-2000
LFP 2000 és még több
NCA 500
LTO 3000-7000

 

A Li-ion akkumulátoroknál az élettartam a legmegfoghatatlanabb dolog, az összes paramétereik közül. Az élettartamuk annyi mindentől függnek, hogy ha egy tartós használatra szánt akkumulátor beszerzése előtt nem vizsgálunk meg minden paramétert, akkor lényegesen lerövidíthetjük annak az élettartamát.

Még is mik számítanak?

 

– Sokat számítanak a külső körülmények, mert legtöbb lítium akkumulátor nem kedveli a hőmérsékleti szélsőségeket. A legjobb működési tartomány a 15-30 ºC közötti hőmérséklet. Ettől persze lehetnek eltérések, viszont a 0 ºC alatti töltést nem nagyon kedvelik ezek a cellák. Persze ha töltjük őket, az nem jelenti azt, hogy azonnal tönkre mennek, viszont drámaian lecsökken a teljesítményük, és megnő a degradációra való hajlam. Ez alól pl. az LTO akksik kivételek, mert őket nyugodtan lehet tölteni -20 ºC-ban is, de az áruk és az energiasűrűségük nem a legoptimálisabb.

– Nagyon sokat számít, az, hogy a milyen tartományon belül használjuk az akkumulátorokat. A legoptimálisabb az, ha 40-80% között használjuk csak őket. Ez nagyban meg tudja hosszabbítani az élettartamukat. Továbbá még nagyon fontos ha akkumulátor pakkokról beszélünk, az hogy megfelelően balanszolt legyen a töltés. Arról nem is beszélve, hogy a töltő áram, ne nagyon haladja meg az 0.7-1C-t. Természetesen a merítő áram se.

Szerencsére a li-ion akkumulátoroknál kiküszöbölték a memória effektust, ezért nem szükséges fullba tölteni és fullba meríteni, mint a régebbi nikkel akksiknál. 

 

Lítium Ion akkumulátorok jellemzése -Biztonság

 

Ennél a résznél nem is nagyon van mire felhívni a figyelmet. Ha betartunk minden gyári előírást, és annak megfelelően használjuk a cellákat, vagy akkumulátor pakkokat, akkor nem lehet nagy baj. A leges leges leges legfontosabb az, hogy mindig figyeljük a cellák hőmérsékletét, és ha lehet, akkor jó minőségű aktív balance-ot alkalmazó BMS-t használjunk a nagy áramú kapcsolásokhoz.

Az LTO akkumulátorokat leszámítva, a hidegben (-10 ºC) borzalmasan megnő a cellák belső ellenállása (exponenciálisan), ez pedig töltési terhelés alatt melegedéshez, és degradációhoz vezet. Egy kellőképpen degradálódott cellának a belső ellenállása, amúgy is megnő, ami azt jelenti, hogy a cellán megnő a disszipáció. Magyarul elkezd melegedni. Tartósan 60 ºC fölött amúgy is elkezdenek degradálódni ezek az akkumulátorok, ezért érdemes olyan BMS-t venni, ami képes arra, hogy a megfelelő hőmérsékleten tartsa az akkumulátor packot.

Végezetül nézzük meg ezt a videót, mert ez mindent elárul:

 

A videónak tükrében érdemes jól megválasztani a helyet, hogy hova telepítünk egy akkumulátor pakkot, és a hozzá tartozó elektronikát. Ha van lehetőségünk, akkor egy olyan helyre, ami egy tűz esetén is el van különítve a lakó és életterünktől, és ha lehet telepítsünk mellé egy önoltó rendszert is. Ez persze nem a kis 12V-os akkumulátor pakkokra vonatkozik, de egy 48V-os 20 Kw-os akkumulátor mellé azért már nem árt egy ilyen tervezés.

 

Remélem kellőképpen és nem túl unalmasan összeválogattam, pár alapvető tudnivalót a Lítium akkumulátorokkal kapcsolatban. Ez a cikk egy cikksorozat egyik része volt, és hamarosan jön a folytatás is.

 

(Statisztika: 149 megtekintés)