A Li-ion akkumulátor cella működése

A modern technológiák nagymértékben függenek az akkumulátor celláktól. Az akkumulátor cellák kapacitása határozza meg, hogy egy adott eszköz vagy kéziszerszám mennyi ideig működhet töltés nélkül. A kapacitás növelése azonban komoly kihívást jelent, mivel a nagyobb kapacitás fokozott kockázatokkal jár –a túlmelegedéstől, az anyagok kémiai degradációján át, egészen a stabil működés fizikai korlátaiig. Figyelmünket a lítium-ion akkumulátor cellákra összpontosítjuk, amelyek a szekunder cellák csoportjába tartoznak, és részletesebben megvizsgáljuk működési elvüket és felépítésüket.

Ezek az akkumulátor cellák magas energiasűrűségükről és hatékonyságukról ismertek, amelyet a töltés és használat során lezajló elektrokémiai folyamatok biztosítanak. Ezek a folyamatok magukban foglalják a lítiumionok vándorlását az anód és a katód között az elektroliton keresztül, így fejlesztve elektromos áramot, amely a kéziszerszámokat táplálja.

Történelem

A 20. század elején felismerték a lítium nagy potenciálját arra, hogy az akkumulátorcellák egyik fő összetevőjévé váljon. Ez a kémiai elem, mely alacsony sűrűséggel és magas elektrokémiai potenciállal rendelkezik, már 1912-ben kísérletek tárgyává vált az amerikai kémikus és fizikus, George Newton Lewis munkásságának köszönhetően.

Az első gyakorlati próbálkozás lítium-ion akkumulátor kifejlesztésére azonban csak 1979-ben történt meg, amikor John Goodenough és Kiochi Mizushima professzorok az Oxfordi Egyetemen olyan elektrokémiai folyamatot vizsgáltak, ahol megvalósulhatott a lítiumionok mozgása két elektróda között.

Ez a megoldás forradalminak bizonyult, mivel lehetővé tette a töltést és kisütést olyan kémiai reakciók nélkül, amelyek az akkumulátor anyagainak gyors lebomlásához vezetnének. A fejlesztések folytatódtak, és 1991-ben a Sony piacra dobta az első kereskedelmi forgalomban kapható lítium-ion akkumulátort. A lítium-ion technológia számos előnnyel rendelkezik például a nikkel-kadmium akkumulátorokhoz képest:

• nagyobb energiasűrűség: lehetővé teszi a hatékonyabb energiagazdálkodást, és a nagyobb teljesítményű eszközök használatát
• alacsonyabb tömeg: energiasűrűségének köszönhetően azonos kapacitás mellett a lítium-ion cellák körülbelül 50%-kal könnyebbek a NiCd cellákhoz képest
• alacsony önkisülési arány: hosszabb ideig megőrzik kapacitásukat használaton kívül is
• hosszabb élettartam: több száz töltési ciklust bírnak ki jelentős kapacitásvesztés nélkül
• nincs memóriaeffektus
• környezetvédelmi szempontok: bár a lítium sem teljesen ártalmatlan, a kadmium mint nehézfém rendkívül toxikus a környezetre és az emberi egészségre nézve

Ez a technológiai áttörés lehetővé tette a lítium-ion akkumulátorok széles körű elterjedését számos ipari szegmensben. Ma már alapvető komponensnek számítanak egy modern eszközparkban.

Hogyan működik a Li-Ion akkumulátor

Minden Li-ion akkumulátor cella az alábbi részekből áll:

Anód (-) (1. ábra A)
Az anód a negatív elektród, amelyet általában grafitból készítenek. A töltés során a lítiumionokat elnyeli, és a grafitrétegek között tárolja (1. ábra B).

Katód (+) (1. ábra C)
A katód a pozitív elektród, amely fém-oxid alapú anyagokból készül, például lítium-kobaltoxidból vagy NMC-ből (1. ábra D). Feladata, hogy a töltés során lítiumionokat bocsásson ki (1. ábra E), míg a kisütés során ezeket az ionokat visszafogadja.

Elektrolit (1. ábra F)
Folyékony vagy gél állagú anyag, amely biztosítja a lítiumionok mozgását az anód és a katód között. Az elektrolit lítiumsót tartalmaz, amely egy szerves oldószerben van feloldva.

Szeparátor (1. ábra G)
Vékony, porózus membrán, amely fizikailag elválasztja az anódot és a katódot. Megakadályozza a rövidzárlatot, miközben lehetővé teszi a lítiumionok áthaladását.

1. ábra. A Li-ion cella összetétele

A töltési folyamat (2. ábra)

A töltés során az akkumulátor cella külső forrásból – a töltőből – vesz fel elektromos áramot, és az energiát kémiai formában tárolja. Az animációval ellátott séma részletes és áttekinthető módon szemlélteti az akkumulátor töltési folyamatát, amely az alábbi lépéseket tartalmazza:

1. A lítiumionok mozgása:
A lítiumionok (Li⁺) a katódból az elektroliton keresztül az anód felé vándorolnak. Az anódon a grafitrétegek közé interkalálódnak (beépülnek), ahol stabil kémiai kötéseket hoznak létre.

2. Az elektronok áramlása:
Az elektronok a külső áramkörön keresztül haladnak a katódtól (+) az anód felé (-), mivel az elektrolit nem vezeti az elektronokat. Ez az elektronáramlás hozza létre azt az elektromos áramot, amely a cella töltését biztosítja.

3. Energiatárolás:
Az energia kémiai formában tárolódik, a lítiumionok és a szénatomok közötti kötéseken keresztül az anódban (-).

2. ábra. A töltési folyamat

3. ábra. A kisütés folyamata

A kisütés folyamata (3. ábra)

A kisütés során az akkumulátor cella a kémiai formában elraktározott energiát közvetíti a csatlakoztatott eszközbe. A kisütési folyamat az alábbi lépéseket foglalja magában:

1. A lítiumionok mozgása:
A lítiumionok az anódból az elektroliton keresztül a katód felé vándorolnak. A katódon fém-oxidokkal (például LiFeO6) lépnek reakcióba, amely során felszabadul az eltárolt energia.

2. Az elektronok áramlása:
Az elektronok a külső áramkörön keresztül az anódtól (-) a katód (+) felé haladnak, elektromos áramot generálva, amely az eszközt táplálja.

3. Energiafelszabadulás:
A kémiai kötésekben tárolt energia felszabadul, és elektromos árammá alakul, amelyet a készülék a működéséhez felhasznál.

4. A folyamat stabilizálása:
A kisütés során a vezérlő áramkörök folyamatosan figyelik a feszültséget, és biztosítják, hogy az ne csökkenjen egy biztonságos határérték alá, mivel ez károsíthatná az akkumulátorcellát.

Vezérlő elektronika

4. ábra. HERMAN Li-ion akkumulátor

A modern lítium-ion akkumulátorok vezérlő áramköröket tartalmaznak, amelyek figyelik a feszültséget, az áramerősséget és hőmérsékletet, hogy megakadályozzák a túlmelegedést vagy a túltöltést, ami károsíthatná az akkumulátor cellát. Az akkumulátorok, amelyek több cellából állnak (4. ábra A), általában egy központi vezérlő áramkörrel rendelkeznek, amely az összes cellát irányítja, és tartalmaz egy úgynevezett balancert, amelynek feladata, hogy kiegyenlítse a feszültséget az egyes cellák között (4. ábra B).

Ez a folyamat biztosítja az összes cella egyenletes töltését és kisütését, így megelőzve azok túlterhelését vagy nem kihasználását. A balancer meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát és növeli annak összteljesítményét, mivel megakadályozza a feszültségkülönbségekből eredő egyenlőtlenségeket, amely a cellák degradációjához vagy a teljes akkumulátor kapacitásának csökkenéséhez vezethet.

Li-Ion akkumulátorok használata akkumulátoros szerszámokban

A lítium-ion akkumulátorok (5. ábra) széles körben elterjedtek az akkumulátoros szerszámokban, amelyek ma már elengedhetetlen részét képezik a műhelyek, építkezések vagy házi barkácsolók felszerelésének. Előnyeik, mint a kis súly, magas energiasűrűség, hosszú élettartam és minimális önkisülés, ideálissá teszik őket különböző típusú szerszámokhoz. Kínálatunkban olyan Li-ion akkumulátorral működő elektromos kéziszerszámokat talál, amelyek kielégítik nemcsak a haladó barkácsolók, hanem a profi szakemberek igényeit is.

Minden egyes akkus kéziszerszám specifikus igényekkel rendelkezik az akkumulátor teljesítményére és kapacitására vonatkozóan. Az optimális akkumulátor használata kulcsfontosságú a kéziszerszám megfelelő működésének és hosszú távú hatékonyságának biztosításában. A megfelelő akkumulátor kiválasztásakor a feszültség (V) és a kapacitás (Ah) a meghatározóak, amelyek meghatározzák a szerszám teljesítményét és üzemidejét.

5. ábra. HERMAN akkumulátorok

1. Akkumulátoros csavarhúzók és ütvecsavarozók
Ezeket az eszközöket, mint például a HERMAN AXS-1080 (fúrócsavarozó) és a HERMAN AXI-1080 (ütvecsavarozó), kevésbé igényes, de gyakori feladatokra használják, mint például egy bútor összeszerelése vagy csavarok meghúzása. Ehhez a típusú szerszámhoz elegendőek a 10,8V feszültségű és 2Ah kapacitású akkumulátorok. Magasabb feszültség vagy kapacitás fölöslegesen növelné a súlyt és a költségeket, anélkül, hogy jelentős előnyöket hozna.

2. Akkumulátoros fűrészek
Az olyan szerszámok, mint a HERMAN AXCS-1801 (körfűrész) vagy a HERMAN AXRS-1800 (szablyafűrész), megfelelő teljesítményt igényelnek, különösen kemény anyagok vágásakor. Ezekhez a szerszámokhoz olyan akkumulátorokra van szükség, amelyek legalább 18V feszültségűek és 4Ah kapacitásúak, hogy hosszú és folyamatos működést biztosítsanak. Gyengébb akkumulátorok, például 10,8V / 2Ah nem biztosítanák a szükséges teljesítményt a nagyobb energiaigényű feladatokhoz.

3. Sarokcsiszolók és fúrókalapácsok
A nagy teljesítményű kéziszerszámokhoz, mint például a HERMAN AXAG-1800 (sarokcsiszoló) vagy a HERMAN AXHD-1800 (fúrókalapács), nagy teljesítményű és nagy kapacitású akkumulátorok szükségesek. Jellemzően 18V feszültségű és 5–8Ah kapacitású akkumulátorokat alkalmaznak, amelyek hosszabb és intenzívebb munkát tesznek lehetővé. Egy gyengébb akkumulátor nem biztosítaná a megfelelő teljesítményt.

Az akkumulátor kiválasztásakor fontos, hogy az megfeleljen a kéziszerszám használatakor elvárt követelményeknek:

• Alulméretezett akkumulátor (például alacsony feszültség vagy kapacitás) csökkentheti a teljesítményt és a működési időtartamát.
• Túlméretezett akkumulátor (például túl magas kapacitás kis kéziszerszámok esetén) növelheti a súlyt, csökkentve a munkavégzés kényelmét a megnövelt teljesítmény valós kihasználása nélkül.

Az akkumulátor optimális méretezése nemcsak a munka hatékonyságát javítja, hanem meghosszabbítja az akkumulátor és a kéziszerszám élettartamát is. Ezért mindig ajánlott olyan akkumulátort választani, amely kifejezetten az adott szerszám típusához van tervezve, mindemellett figyelembe véve a munka jellegét és intenzitását is.

Tekintse meg kínálatunkat, ahol megtalálja a pontosan az Ön igényeihez illeszkedő akkumulátoros kéziszerszámokat!

Zárszó

A lítium-ion akkumulátoroknak megvannak a fizikai és kémiai korlátai, amelyek jelentősen befolyásolják kapacitásukat, élettartamukat és biztonságukat. Bár az új anyagok, mint például a szilícium anód, a szilárd katód és az innovatív elektrolitok növelik a kapacitást, továbbra is intenzív kutatás tárgyát képezik.

Az akkumulátorok jövője, a jelenlegi korlátok leküzdése új kémiai összetételekkel - mint például a solid-state akkumulátorok -, vagy alternatív koncepciókkal, mint a lítium-kén vagy lítium-levegő alapú akkumulátorok.

A technológiai fejlődés elengedhetetlen nemcsak a teljesítmény és hatékonyság növelése miatt, hanem a fenntarthatóság és a környezeti hatások minimalizálása szempontjából is. A felhasználóknak figyelniük kell az akkumulátorok megfelelő használatára és karbantartására annak érdekében, hogy maximalizálják azok élettartamát és hatékonyságát.

A Li-ion akkumulátorok fizikai és kémiai korlátaival, megfelelő karbantartásukkal és használatukkal következő cikkeinkben foglalkozunk.

Kulcsszavak: Li-ion akkumulátorok, Li-ion elemek, töltés, akkumulátor, akkumulátoros kéziszerszámok, HERMAN Battery Li-ion

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi
https://letstalkscience.ca/educational-resources/stem-explained/how-does-a-lithium-ion-battery-work
https://www.tycorun.com/blogs/news/the-market-size-of-lithium-battery-structural-parts-in-china
https://sk.jingsun-power.com/info/lithium-battery-power-generation-principle-81498947.html
https://www.energy.gov/energysaver/articles/how-lithium-ion-batteries-work
https://www.evlithium.com/Blog/imr-icr-inr-ifr-18650-battery-differences.html

Mgr. Peter Halaj

A HERMAN cegnél dolgozom közel 25 éve. Ez az első munkahelyem es ennél jobbat nem ismerek. Munkaruhában kezdtem, mint a szerszámok garanciális és garancia utánni javításait végző technikus, néhány évig a szerviz részleget vezettem, majd belekóstoltam a logisztikába, az informatikába, programozásba és részt veszek a minőségirányításban is. A megszerzett tapasztalatokat most a belső folyamatok és az ügyfélszolgálat folyamatos javítására és finomítására fordítom. Szeretem "kiszellőztetni a fejemet" a műhelyemben végzett kétkezi munka közben, vagy ha a kerékpárom nyergében ülök, és számtalan kilométert teszek meg Gömörben és környékén.