Na wstępie doprecyzujmy: skupimy się jedynie na akumulatorach litowo-jonowych, które w przeciwieństwie do baterii litowo-metalowych, mają możliwość ładowania i mogą być wykorzystane wielokrotnie.
Początki badań nad wykorzystaniem litu do budowy akumulatorów sięgają lat 60. XX wieku. Pierwszy komercyjny cylindryczny akumulator litowo-jonowy został wprowadzony do sprzedaży w 1991, natomiast w 2008 roku w prowadzono na rynek pierwszy seryjnie produkowany samochód elektryczny zasilany akumulatorami litowo-jonowymi.
Budowa wewnętrzna
Czym jest akumulator? Niczym innym, jak po prostu zespołem pojedynczych ogniw połączonych w odpowiedni sposób. Natomiast w budowie samego ogniwa litowo-jonowego wyróżnić możemy następujące główne elementy:
- anoda (elektroda ujemna) – folia miedziana pokryta warstwą anodową, składającą się głównie z grafitu, stosowane są również warstwy bezwęglowe;
- separator – plastikowa (głównie PE i PP) membrana zapewniająca izolacje elektryczną pomiędzy anoda a katodą przy jednoczesnym umożliwieniu przepływu jonów litu;
- elektrolit – sole litu (głównie LiPF6) rozpuszczone w rozpuszczalniku organicznym (najczęściej węglanie etylenu i dimetylu), stosowane są również rozpuszczalniki polimerowe (akumulatory Li-Po) oraz badane są elektrolity stałe;
- katoda (elektroda dodatnia) - folia aluminiowa pokryta warstwą katodową, w której wykorzystuje się substancje z następujących grup: tlenki warstwowe, tlenki sześcienne (spinele), kompleksy oksoanionowe.
Na końcowe właściwości ogniw litowych największy wpływ ma rodzaj materiałów elektrodowych:
| Materiał katody | Materiał anody | Gęstość energii [Wh/kg] | Napięcie ogniwa [V] | |
|---|---|---|---|---|
| Litowo-kobaltowe (LiCoO2) LCO | Grafit | 100 - 180 | 3,6 - 3,8 | |
| Litowo-manganowe (LiMn2O4) LMO | Grafit | 135 - 220 | 3,8 | |
| Litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (LiNiMnCoO2) NMC | Grafit | 160 - 220 | 3,6 - 3,7 | |
| Litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) LFP | Grafit | 100 - 130 | 3,2 | |
| Litowo-niklowo-kobaltowo-glinowe (LiNiCoAlO2) NCA | Grafit | 140 - 200 | 3,6 | |
| Litowo-manganowe (LiMn2O4) LMO | Tytanowo-litowe (LiTiO) LTO | 80 | 2,4 |
Analizując powyższą tabelę, zauważyć można, że rodzaj materiału elektrodowego odzwierciedla się w marketingowych nazwach akumulatorów litowo-jonowych (litowo- żelazowe, litowo-tytanowe itp.). Wyjątkiem od tej zasady są akumulatory litowe-polimerowe, których nazwa powiązana jest z zastosowanym elektrolitem, a nie rodzajem materiałów elektrodowych.
Obudowy akumulatorów - rodzaje
Nominalna pojemność ogniwa litowo-jonowego powiązana jest z wielkością anody i katody. W celu optymalizacji rozmiarów ogniw na etapie produkcji warstwy elektrod i separatora składa się w odpowiedni sposób lub zawija i umieszcza w obudowie, a następnie napełnia obudowę elektrolitem.
W celu zabezpieczenia przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz nadaniu odpowiedniego kształtu stosuje się głównie następujące typy obudów akumulatorów:
- guzikowe – obudowa stalowa oznaczana ciągiem cyfr określających wymiary (np.: 2032 – średnica 20mm, wysokość 3,2mm), rozmiarami zbliżone do stosowanych baterii guzikowych;
Źródło: www.conrad.pl
- cylindryczne - obudowa stalowa w kształcie cylindra, podobnie jak guzikowa oznaczana ciągiem cyfr określających wymiary (np.: 18650 – średnica 18mm, wysokość 65mm), najczęściej stosowane obudowy w zastosowaniach codziennych także jedne z pierwszych wprowadzonych do sprzedaży;
Źródło: www.onecharge.biz
- pryzmatyczne – obudowy plastikowe w kształcie wielościanów o różnych rozmiarach, charakteryzują się dobra odpornością mechaniczną;
Źródło: www.onecharge.biz
- woreczkowe (pouch) – obudowy wykonane w postaci woreczków o niskiej odporności na uszkodzenia mechaniczne, zapewniające najlepszy stosunek energii do masy;
Źródło: www.onecharge.biz
Łączenie ogniw
Z uwagi na stosunkowo niskie napięcie ogniwa sięgającego średnio 3,7 V, pojedyncze ogniwa stosowane są wyłącznie do zasilania drobnych urządzeń elektronicznych, tj. telefony komórkowe, aparaty, smartwatche, słuchawki itp. W celu uzyskania akumulatorów o wyższych napięciach i pojemnościach nominalnych pojedyncze ogniwa łączy się w pakiety wykorzystując połączenia szeregowe (series – s) i równoległe (parallel – p). W przypadku połączenia szeregowego uzyskujemy sumę napięć poszczególnych ogniw, a w połączeniu równoległym otrzymujemy sumę pojemności zastosowanych ogniw. W celu określenia budowy wewnętrznej akumulatora stosuje się opis określających ilość ogniw w połączeniu szeregowym i równoległym np.:
- 4s1p – akumulator z 4 ogniw połączonych szeregowo,
- 1s4p – akumulator z 4 ogniw połączonych równolegle,
- 2s2p – akumulator z 4 ogniw połączonych równolegle i szeregowo,
Z uwagi na wymagania poszczególnych ogniw (dotyczących m.in.: napięcia i prądu ładowania, napięcia i prądu rozładowania, temperatury) w akumulatorze niezbędny jest dodatkowy element poza samymi ogniwami i jest to BMS (Battery Management System), czyli układ zarządzający działaniem akumulatora i kontrolujący parametry pracy całego akumulatora. Z uwagi na możliwość nadzorowania i regulowania wymaganych parametrów akumulatorów na BMS spoczywa duża odpowiedzialność za bezpieczeństwo całego akumulatora.
Do podstawowych parametrów akumulatorów litowo-jonowych kontrolowanych BMS należy zaliczyć:
- napięcie znamionowe – umowna wartość napięcia pomiędzy biegunami akumulatora [V],
- Napięcie rozładowania – wartość napięcia, do którego może być rozładowany akumulator [V],
- napięcie ładowania - wartość napięcia, do którego może być naładowany akumulator [V],
- pojemność znamionowa – ilość ładunku elektrycznego, jaką może oddać akumulator [Ah],
- prąd znamionowy – wartość prądu, jaką można pobrać z akumulatora [A],
- prąd ładowania – wartość prądu, przepływająca przez akumulator podczas ładowania [A],
- rezystancja wewnętrzna – opór wewnętrzny akumulatora [W],
- temperatura pracy – dopuszczalna temperatura, w której może pracować akumulator [°C],
- SoC – (State of Charge ) poziom naładowania akumulatora [%],
- SoH – (State of Health) poziom zdrowia akumulatora, określany jako stosunek maksymalnego naładowania akumulatora do pojemności znamionowej [%].
Zagrożenia związane z akumulatorami litowo-jonowymi
Do głównych zagrożeń należy ich palność, wynikająca z palności samego litu i jego związków, a także obudów w przypadku typów woreczkowych i pryzmatycznych. W szczególności należy pamiętać o łatwopalności elektrolitu zawierającego rozpuszczalniki organiczne. Pożar akumulatora litowo- jonowego może być związany z:
- przegrzaniem – w wyniku słabego chłodzenia lub nagrzewaniem z zewnątrz,
- uszkodzeniem elektrycznym – przeładowanie lub zwarcie zewnętrzne,
- uszkodzeniem mechanicznym – przebicie lub zmiażdżenie,
- zwarcie wewnętrzne – spowodowane wadami produkcyjnymi lub starzeniem się.
Szczególnym zagrożeniem związanym użytkowaniem akumulatorów litowo-jonowych jest zjawisko ucieczki termicznej (thermal runaway). Jest to zjawisko niekontrolowanego wzrostu temperatury ogniwa akumulatora. Ogniwo bardzo silnie się wówczas nagrzewa, co może prowadzić nawet do powstania pożaru. Jako jedną z przyczyn wskazywane jest nadmierne wydzielanie się ciepła podczas ładowania baterii, które prowadzi do ucieczki termicznej.
Niezależnie od dokładnej przyczyny zapłonu samego akumulatora litowo-jonowego, liczba zdarzeń pożarowych z udziałem tego typu akumulatorami jest coraz większa. Media coraz częściej donoszą o pożarach telefonów komórkowych, laptopów, hulajnóg, samochodów czy autobusów elektrycznych. Szczególnie poważne konsekwencje mogą mieć pożary baterii w magazynach logistycznych, sieciowych magazynach energii czy parkingach obiektów handlowych i mieszkalnych.
Zasady bezpiecznego użytkowania
W celu ograniczenia strat pożarowych niezbędne jest odpowiednie postepowanie z akumulatorami litowo-jonowymi na każdym etapie ich wykorzystania: od magazynowania nowych ogniw, poprzez wykorzystanie w gotowych urządzeniach po magazynowanie zużytych akumulatorów i ich recykling. Do podstawowych zasad należy uznać wydzielenie miejsc magazynowania i wykorzystywania akumulatorów lito-jonowych – rekomendujemy wydzielenia o odporności ogniowej REI 120. Z uwagi na intensywność pożarów akumulatorów litowo-jonowych niezbędne jest również stosowanie systemów gaśniczych – za najskuteczniejsze w chwili obecnej uznaje się gaszenie wodą, co związane jest z jej skutecznymi właściwościami chłodzącymi. W przypadku akumulatorów wykazujących objawy uszkodzenia (m.in.: wzrost temperatur, pęcznienie) zalecana jest wręcz ewakuacja poza obiekt lub zatopienie w roztworze soli – który poza chłodzeniem rozładowuje akumulator, zmniejszając ilość energii zgromadzonej w akumulatorze.
Jak widać, zagrożenia wynikające z masowego stosowania akumulatorów litowych są stosunkowo nowym problemem, z którym wszyscy się mierzymy. Jako Warta Risk Service jesteśmy w trakcie opracowywania szczegółowych wytycznych dla tego typu zagrożeń. Mamy nadzieję, że zaproponowane rozwiązania wpłyną na poprawę poziomu bezpieczeństwa naszych klientów.
Jeśli interesują Was dodatkowe informacje na ten temat, zapraszamy do kontaktu z Wiesławem Hoffmanem: wieslaw.hoffman@warta.pl.
