Miért használunk lítium-ion akkumulátorokat?

A lítium-ion akkumulátorok egyre népszerűbb energiaforrások a különféle elektronikai termékekben. A lítium-ion akkumulátortechnológia nagyon megbízható akkumulátort biztosít magas fajlagos energiával (tömegegységenkénti energia), nagy mennyiségű energiával és hosszú élettartammal. E műszaki fejlesztéseknek köszönhetően a kereskedelmi forgalomban lévő lítium-ion akkumulátorokat számos eszközben használják, mint például:
• Fogyasztói és elektronikus eszközök
• Orvosi eszközök
• Ipari berendezések
A közelmúltban a lítium-ion akkumulátorokat az elektromos és hibrid autógyártók is alkalmazzák, köszönhetően az ólomsavas akkumulátorokhoz képest kiváló teljesítményüknek. Ez kulcsfontosságú tényező az elektromos járművek értékesítésének több mint 60%-os növelésében 2012 óta. Becslések szerint 2040-re világszerte 560 millió villamosított autó fog közlekedni.
Ezenkívül az előrejelzések szerint ugyanebben az időszakban a lítium-ion akkumulátorok globális felhasználása a szünetmentes tápegységekhez (UPS) és a megújuló energia támogatásához az előrejelzések szerint több mint 50-szeresére nő. Ennek az igénynek a kielégítésére világszerte nagyszabású gyártólétesítmények, úgynevezett Gigafactories épülnek. Becslések szerint 20 létesítményre lesz szükség csak Európa keresletének kielégítéséhez.
Míg a lítium-ion akkumulátorok meghibásodásának/sikerének aránya minimális, biztonsági aggályok merültek fel a jól ismert tűzesetek és robbanások miatt, a legutóbbi időkben pedig a mobileszközökön vannak problémák az akkumulátorokkal. A kockázat miatt elengedhetetlen a hibás lítium-ion akkumulátorok korai felismerése. A PID (fotoionizációs detektálás) kiválóan alkalmas erre a célra, mivel nagyon érzékeny a lítium-ion akkumulátorban található illékony vegyi anyagokra.

A lítium-ion akkumulátorok működése
Az akkumulátorok vagy egy cellából készülnek, vagy ahol nagyobb energiatárolásra van szükség, több cellából. A cella fő alkotóelemei a katód, az anód, az elektrolit és a két elektródát elválasztó szeparátor. Kisütéskor egy lítiumfémmel impregnált szénanód elektronokat szabadít fel, amelyek körbejárják az elektromos áramkört, és ezzel egyidejűleg lítium-ionokat szabadítanak fel, amelyek belépnek az elektrolitba és a katód felé mozognak. A katódon az ionok és az elektronok rekombinálódnak, és lítium-sót képeznek (tipikusan LiMnO-t MnO-ból). Töltéskor az elektródák polaritása felcserélődik és pontosan a fordított reakciók, elektron- és ionmozgások mennek végbe.

Mi a biztonsági probléma a Li-ion akkumulátorokkal?
Ha egy lítium-ion akkumulátor megsérül valamilyen mechanikai igénybevétel, rövidzárlat, túltöltés vagy túlzott hő hatására, akkor a hőkifutásnak nevezett jelenség előfordulhat. Amikor egy cella eléri a körülbelül 80°C-ot, az anód felületén lévő védőréteg exoterm reakcióban (hőtermelés) kezd lebomlani a lítium és az elektrolitban lévő vegyi anyagok reakciója következtében. Amikor a hőmérséklet megközelítőleg 110 °C-ra emelkedik, az elektrolit egy másik exoterm reakcióban kezd bomlani, amely gyúlékony gázokat, például metánt, etánt, etilént és hidrogént fejleszt.
125°C-on a szeparátor megolvad, lehetővé téve az anód és a katód rövidzárlatát, ami még több hőt termel.
Körülbelül 140°C-on a katód egy újabb exoterm reakcióban bomlik le, ami oxigént termel, ekkor a cella lángra lobban, befejezve a hőkifutást.

PID használata a lítium-ion akkumulátorok kockázatainak azonosítására
Az elektrolit alapvetően illékony szerves vegyületek (VOC) keverékét tartalmazza, amelyek az ionokat az oldatban tartják. Ha felszakad, az illékony anyagok kiszivárognak. Ezeket az illékony anyagokat lehet kimutatni a PID segítségével. Ezek gyors észlelése lehetővé teszi, hogy a hőkifutás előtt intézkedjenek. Egy adott VOC-ra adott PID-választ válaszfaktorként (RF) azonosítják. Egyes gyártók CF (korrekciós faktornak) hívják. A Li-ion akkumulátor-elektrolitokban általánosan használt VOC-k RF értékeit itt mutatjuk be.

Megjegyzés: Az RF az izobutilénre adott válasz aránya a cél VOC-ra adott válaszhoz viszonyítva, így a PID érzékenységének növekedésével csökken.

1. táblázat: A lítium-ion akkumulátorokban használt vegyszerek értékelése. A ppm IBE-ben megadott PID-válaszok az izobutilén kalibrációs egyenértékének milliomodrészére vonatkoznak.
A PID specifikációkban szinte általánosan az izobutilént kalibráló gázként említik.
Az akkumulátorok összetétele jelentősen eltér, de valószínűleg a fenti táblázatban szereplő három
legillékonyabb VOC közül egyet vagy többet tartalmaznak.

Az akkumulátor elektrolit szivárgása
Az akkumulátor elektrolit szivárgása illékony keveréket hoz létre, amely az egyes illékony anyagok folyadék arányától, illékonyságától és az illékonyság sebességétől függ. Idővel az illékonyabb vegyületek elpárolognak a felszakadt akkumulátorból, és kevésbé illékony, kevésbé kimutatható keveréket hagynak maguk után. Ezért a válaszfaktorok használata helyett értelmesebb az egyes illékony vegyületek várható hozzájárulását figyelembe venni. Ez a táblázat utolsó előtti oszlopában található. A gyakorlatban, ha például egy felszakadt akkumulátor 25% dietil-karbonátot tartalmazott, akkor ez 25% x 1000 ppm = 250 ppm maximális válaszreakciót jelentene.

Szivattyús detektor használatakor a tiszta gőzre adott válasz sokkal kisebb, mint a várható válasz, mivel a műszer magával ragadja az illékony anyagokat egy levegőáramban, ami ezért hígítja az illékony anyagot. Az ION Science Tiger műszerrel kapott maximális tüskereakciók 25 ml-es palackok célillékony anyagok fejterében mérve a táblázat utolsó oszlopában láthatók. A szivárgásészlelésnél technikára van szükség, mivel az illékony anyagok eltávolítása a műszer mintaáramából a gőznyomás csökkenését okozza.

Tipikus felhasználási területek
• Cellák és akkumulátorok gyártása
• Lítium-ion akkumulátor termék gyártósorok
• UPS és akkumulátor parkok ellenőrzése
• Lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása
• Jármű akkumulátor ellenőrzése
• Lítium-ion akkumulátor szállítás