2018. szeptember 18. írta: Vámos Sándor

Lítium-ion (és LiPo) akkumulátorok

Lítium-ion (és LiPo) akkumulátorok A lítium akkumulátor célú alkalmazását, illetve annak a lehetőségét először a 70-es években a müncheni Technikai Egyetemen (TU München) tárták fel. Sok időnek kellett eltelnie, hogy a LiIon tárolók valóban piacra is kerüljenek, erre a 90-es évektől fokozatosan került sor. A lítium bázisú tárolók sok kémiai összetétellel is alkalmazásra kerülnek, így a leggyakoribb lítium-kobalt-dioxid-akkumulátorok (LiCoO2 – LCO) mellett megtalálhatók a lítium-mangán-dioxid (LMO), és a lítium-foszfát-akkumulátorok (LFP), ritkábban pedig a lítium-titanát (LTO) és az ón-kén-lítiumion akkumulátorok is. A fizikai jellemzőik nagyjából megegyeznek ezeknek, azaz a fajlagos energiatárolási kapacitásuk 150 Wh / kg, energiasűrűségük 400 Wh / l körül alakul.

A LiIon akkumulátorok nem igazán képesek megbirkózni a túltöltessél és a túlmerítéssel sem, így alkalmazásuk során szinte minden esetben védő-elektronikát (BMS – battery management system) igényelnek. A túlmelegedés az egyik gyenge pontja a típusnak, ugyanis 180 fok felett olyan kémiai reakciók indulnak be a tárolókban, amik azoknak a felrobbanásához vezethetnek. A tárolókban nem keletkeznek kristályok, így ez az akkumulátor típus nem hajlamos a memória-effektusra. A LiIon bázisú akkumulátorok sok előnye mellett soha nem szabad elfelejteni a hátrányukat, hogy tűzveszélyesek túltöltés és fizikai sérülések esetén!

Az akkumulátorok túlmerítése szintén a telepek tönkremenetéhez vezet, így a gyártók jellemzően egy túlmerítés-védelmet (Low Voltage Cutoff – LVC) is beépítenek az egységeikbe. Ezek az akkumulátor tápvezetékét szakítják meg akku-üzemben, ha a feszültség a 3,2V-os szintet alulhaladja. Ez persze vagy működik, vagy nem, így érdemes a túlmerítést a felhasználói oldalról is valamilyen hardveres megoldással tiltani.

A harmadik védelmi lehetőség (amit a komolyabb töltők tudnak) a hőmérséklet-felügyelet (Positive Temperature Coefficient Switches: PTC), és az erre épülő töltés közbeni leoldás-védelem.

Ezeket a védelmeket együttesen töltésmegszakító egységeknek, azaz Charge Interrupt Devices (CID) szokás nevezni.

A LiIon akkumulátorokban a katód (pozitív pólus) tartalmazza a lítium vegyületeket, a negatív pólus általában grafitból (vagy valamilyen szénvegyületből) áll. A membránon a lítium-ionok szabadon átjárhatnak, töltéskor az anód, áramleadás idején a katód felé áramlanak az elektrolitban. Az elektrolit lítium-hexafluorofoszfát (LiPF6), vagy kevésbé korrodáló lítium-tetrafluoroborát (LiBF4) oldatából áll.

Lítium-ion akkumulátor felépítése

A LiPo, vagyis lítium-polimer akkumulátor egy speciálisan kialakított Li-Ion tároló. Ebben az esetben a Li-Ion folyadék elektrolit konstrukciót egy szilárd, zselatinos (polimer-alapú) fóliával cserélték le, és ez az átalakítás a tároló fizikai jellemzőire is jelentős hatással van. Összetételük miatt a LiPo cellák sokkal sokoldalúbban alakíthatók ki, és robbanásra is kevésbé hajlamosak, viszont energiatárolási kapacitásuk jóval alacsonyabb a LiIon akkumulátoroknál.

A legjellemzőbb megjelenési formái a Li-Ion akkumulátoroknak:

Lapos tasakcellák: Ezek lapos kivitelezésű, alumíniumozott polimer fóliába csomagolt cellák, jellemzően (kizárólag) LiPo egységek, melyek formájuk okán könnyen integrálhatók mobiltelefonokba, fényképezőgépekbe, e-book-olvasókba,..

LiPo tasakcella

Hengeres kivitel: A két elektródát és az elektrolit zselét egymásra rétegezik, majd feltekercselik hengerré. Ezek a hengerek egységes (normalizált) méretűek:

hengeres kivitelű li-ion cellák

A számozás ezeknél a tárolóknál két részből áll össze: először a henger átmérője, aztán a hossza (milliméterben) jellemzi a tároló méretét. A leggyakrabban alkalmazott 18650 például 18 mm átmérőjű és 650 mm magas.

A telep kapacitását, azaz, hogy mennyi villamos energiát képes betárolni, Amperórában (Ah), vagy ennek az ezredrészében, milliamper-órában (mAh) szokás megadni. A névleges és a valós kapacitás eltérési aránya nagyon sok paramétertől függ, pl. az akkumulátor életkora, használati ciklusok száma, környezeti hőmérséklet, gyártó lódítási rátája, így azt lehet mondani, hogy a valós kapacitás csak a használat során fog kiderülni.

A kisülési ráta (Discharge rate), vagyis C-ráta arról árulkodik, hogy a betárolt villamos energiát az akkumulátor milyen dinamikával hajlandó visszaadni. Ezt a dinamikát a kapacitás függvényében határozzák meg, az 1:1 dinamikájú akku 1C-s. Megfordítva ez azt jelenti, hogy ha egy akkumulátor kapacitása 1800 mAh, és C-rátája 5, akkor 5*1,8, azaz 9 ampert tud egyidejűleg leadni.

Már említettem, hogy a LiIon és LiPo cellák jellemző névleges feszültsége 3,7 volt, ami persze típusonként változhat. Ezeknél az akkumulátoroknál a feszültségszint jellemzően 4,2V (teljes töltés) és 3,2V (minimum) között változhat. A túltöltés tönkremenetelhez, vagy adott esetben kigyulladáshoz és robbanáshoz is vezethet, míg a túlmerítés csak simán tönkreteszi az akkut. A névleges feszültség a sorba kapcsolt cellák számával változik (a 3,7V valahányszorosa lesz). A névleges feszültséget (meg még pár paramétert) jelentősen befolyásolhat a LiIon akkumulátor típusa (anyaga).

A Li-Ion cellákat egymással sorba és párhuzamosan is lehet kapcsolni. A soros kapcsolás esetén az „S”-vel, párhuzamos esetén a „P”-vel szokás ezeket a konfigurációkat jelölni. A 4S például 4, egymás után kapcsolt cellát jelöl, ahol ezeknek a feszültségei összeadódnak, így (tipikus esetben) 4*3,7V=14,8V-ot kapunk eredményül, azaz ekkora feszültséget fog leadni az egység.

_{A fenti értékek csak irányadóak, típusonként változhatnak}

A sorba kapcsolt cellák esetén ügyelni kell arra, hogy a töltöttségi szintet cellánként lehessen felügyelni. Ezt a gyakorlatban úgy szokás megoldani, hogy a két szélső sorba kapcsolt cellára csatlakoztatják az ennek megfelelően méretezett tápvezetéket, míg egy külön csatlakozón a cellánkénti elérést is lehetővé teszik a gyártók, valahogy így:

cellánkénti elérés