Kennokemia ja osat

Anodi

Anodi on yksi kahdesta elektrodista sähköajoneuvon (sähköauto) akussa, toinen on katodi. Purkautumisjakson aikana anodilla tapahtuu hapettuminen, joka vapauttaa elektroneja ulkoiseen piiriin laitteen tai ajoneuvon käyttöön. Latausjakson aikana anodilla tapahtuu pelkistyminen, joka sitoo elektroneja ulkoisesta piiristä ja varastoi energiaa akkuun.

Litiumioniakussa anodi on tyypillisesti valmistettu grafiitista, jolla on kerroksellinen rakenne, joka mahdollistaa litiumionien interkalaation kerrosten väliin. Kun akku purkautuu, litiumionit liikkuvat anodilta katodille elektrolyytin läpi, samalla kun elektronit virtaavat ulkoisen piirin kautta. Latauksen aikana tapahtuu päinvastainen prosessi, jossa litiumionit siirtyvät katodilta takaisin anodille.

Anodin suorituskyky on ratkaisevan tärkeä koko sähköauton akun suorituskyvyn ja turvallisuuden kannalta. Laadukkaalla anodimateriaalilla tulisi olla korkea litiumionien varauskapasiteetti, hyvä johtavuus, rakenteellinen vakaus ja kestävyys hajoamista vastaan useiden lataus- ja purkautumissyklien aikana. Vaikka grafiittianodit täyttävät nämä vaatimukset, tutkijat tutkivat myös muita materiaaleja, kuten piitä, jolla on huomattavasti suurempi varauskapasiteetti, mutta joka on alttiimpi hajoamiselle.

Yritykset kuten StoreDot kehittävät piipohjaisia anodeja. Tämä voisi teoreettisesti kaksinkertaistaa kennotason energiatiheyden, mikä hyödyttäisi sähköautoja merkittävästi. Piipohjaiset anodit voisivat myös parantaa matalan energiatiheyden kennojen, kuten LFP-kennojen, houkuttelevuutta kaventamalla eroa NMC-kennoihin ja minimoimalla LFP:n ydinalan haitan – rajoitetun energiatiheyden. Arviot osoittavat, että lisäämällä 20 % piitä anodiin voisi parantaa LFP-kennon energiatiheyttä 17 %, vaikka lisäkustannukset saattavatkin olla merkittävä este.

Katodi

Katodi on elektrodi, jossa purkautumisjakson aikana tapahtuu pelkistyminen: se vastaanottaa elektroneja ulkoisesta piiristä laitteen tai ajoneuvon käyttöä varten. Latausjakson aikana katodilla tapahtuu hapettuminen, jossa se vapauttaa elektroneja ulkoiseen piiriin ja varastoi energiaa akkuun.

Litiumioniakussa katodi on tyypillisesti valmistettu metallioksidista, kuten litiumkobalttioksidista (LCO), litium-nikkeli-mangaani-kobolttioksidista (NMC) tai litiumrautafosfaatista (LFP). Katodimateriaalin valinnalla on merkittävä vaikutus akun suorituskykyyn, turvallisuuteen ja kustannuksiin.

Litium-nikkeli-mangaani-kobolttioksidit (NMC)

NMC-katodit ovat suosittuja sähköautojen akuissa korkean energiatiheyden ja hyvän lämpövakauden vuoksi. Ne tarjoavat tasapainon energiatiheyden ja tehotiheyden välillä, mikä tekee niistä sopivia monenlaisiin sähköautosovelluksiin.

Eri NMC-katodiversiot, kuten NMC111, NMC532 ja NMC622, viittaavat nikkelin, mangaanin ja koboltin suhteisiin. Suurempi nikkelipitoisuus lisää energiatiheyttä, mutta myös kustannuksia. Viimeaikaisia kehitysaskeleita ovat NMC811 ja NMC622, jotka tarjoavat vieläkin korkeampaa energiatiheyttä, mutta saattavat kohdata haasteita lämpövakauden ja syklielinkaaren osalta. NCM9 on uusin kehitys, ja sen nikkelipitoisuus on 90 %.

Katodimateriaalin partikkelikoko ja morfologia vaikuttavat myös suorituskykyyn. Pienemmät hiukkaset voivat parantaa purkausnopeutta ja tehotiheyttä, kun taas suuremmat hiukkaset voivat lisätä energiatiheyttä.

Litium-nikkeli-koboltti-alumiinioksidit (NCA)

NCA-katodit tarjoavat korkean energiatiheyden ja niitä käytetään sähköautojen akuissa, erityisesti Teslan ajoneuvoissa. Ne tarjoavat korkean energiatiheyden ja hyvän suorituskyvyn, joten ne ovat suosittu valinta monien sähköautovalmistajien keskuudessa.

NCA-katodit sisältävät tyypillisesti nikkeliä, kobolttia, alumiinia ja happea. Ne tarjoavat korkean energiatiheyden, mikä johtaa pidempään toimintamatkaan sähköautoissa. NCA-katodit tarjoavat myös hyvän tehotiheyden ja pitkän syklielinkaaren, mutta ne voivat olla herkkiä korkeille lämpötiloille, mikä vaatii kehittyneitä lämpöhallintajärjestelmiä.

Litiumrautafosfaatti (LFP)

LFP on katodimateriaali, jota käytetään yleisesti sähköautojen akuissa sen korkean lämpövakauden ja pitkän syklielinkaaren ansiosta. LFP-katodit ovat muihin materiaaleihin verrattuna alhaisemman energiatiheyden omaavia, mutta ne tarjoavat hyvän turvallisuuden, kestävyyden ja kustannustehokkuuden.

LFP-katodit koostuvat litiumrautafosfaatista (LiFePO4), joka on stabiili ja myrkytön materiaali. Ne ovat suosittuja Kiinassa tiukkojen turvallisuusmääräysten vuoksi. Esimerkiksi Tesla käyttää LFP:ää alemman toimintamatkan malleissaan.

LFP:n edut

• Korkea lämpövakaus, mikä vähentää termisen karkaamisen riskiä.
• Pitkä syklielinkaari, mikä tekee niistä sopivia sovelluksiin, jotka edellyttävät suurta luotettavuutta.
• Alhaisemmat kustannukset verrattuna nikkelipohjaisiin kemioihin.

LFP:n haitat

• Alhaisempi energiatiheys, jolloin ne sopivat huonommin pitkiin toimintamatkoihin sähköautoissa.
• Huono suorituskyky kylmässä säässä, mikä heikentää purkauskapasiteettia ja latausnopeutta.

Litium-mangaani-rautafosfaatti (LMFP)

LMFP yhdistää LFP:n korkean turvallisuuden ja litium-mangaanifosfaatin (LMP) korkean energiatiheyden. Se on lupaava katodimateriaali korkean suorituskyvyn litiumioniakuille, erityisesti sähköautoille.

LMFP:n edut

• Korkea lämpövakaus ja alhainen termisen karkaamisen riski.
• Korkea tehotiheys ja nopea latauskyky.
• Pitkä syklielinkaari ja hyvä purkausnopeus.
• Alhaiset kustannukset ja ympäristöystävällisyys.
• Korkea jännitetaso ja parannettu ominaiskapasiteetti.

LMFP:n haasteet

• Alhainen elektroninen johtavuus ja litiumionien diffuusiokerroin.
• Faasisiirtymät ja kiderakenteen vääristymät syklien aikana.
• Mangaanin liukeneminen korkeissa lämpötiloissa.
• Elektrolyytin yhteensopivuus ja rajapinnan vakaus.

Katodimateriaalien yhteenveto

Eristin

Eristin on olennainen osa sähköauton akkua, joka sijoitetaan katodin ja anodin väliin estämään oikosulkuja. Se on tyypillisesti ohut, huokoinen kalvo, joka on valmistettu polymeerimateriaalista ja sallii litiumionien virrata elektrodien välillä estäen samalla elektronien kulun.

Eristin tarjoaa fyysisen esteen, sallii litiumionien virtauksen ja auttaa ylläpitämään akun sisäistä rakennetta estämällä dendriittien muodostumista. Hyvällä eristinemateriaalilla tulisi olla korkea ionijohtavuus, alhainen sähkönjohtavuus ja hyvä lämpövakaus.

Yleisiä eristinemateriaaleja ovat polyeteeni (PE), polypropeeni (PP) ja keraamiset materiaalit kuten litiumalumiinititaanifosfaatti (LATP).

Elektrolyytti

Nestemäiset elektrolyytit litiumioniakuissa koostuvat litiumsuoloista orgaanisessa liuottimessa, kuten etyleenikarbonaatissa, dimetyylikarbonaatissa ja dietyyli-karbonaatissa. Ne toimivat johtavana polkuna kationeille, jotka liikkuvat elektrodien välillä purkauksen ja latauksen aikana.

Kiinteätila-akut, jotka käyttävät kiinteitä elektrolyyttejä, tarjoavat potentiaalisia etuja, kuten korkeamman energiatiheyden, nopeamman latauksen, pidemmän käyttöiän ja paremman turvallisuuden. Ne kuitenkin kohtaavat haasteita kuten korkeat kustannukset, alhainen tehotiheys ja heikko rajapinnan vakaus.

Puoli-kiinteät ja kvasi-kiinteät akut ovat hybridityyppejä, jotka yhdistävät kiinteät ja nestemäiset elektrolyytit pyrkien voittamaan joitakin kiinteätila-akkujen haittoja.

Virtakeräin

Virtakeräin helpottaa sähkövirran kulkua elektrodin ja ulkoisen piirin välillä. Litiumioniakuissa se on tyypillisesti ohut metallikalvo, joka on valmistettu kuparista tai alumiinista ja päällystetty hiilellä parantamaan johtavuutta ja estämään korroosiota.

Sähköauton akku selitetty ruoan avulla

Alla olevassa videossa akkututkija ja -insinööri Jill Pestana YouTube-kanavalta Across the Nanoverse selittää eri akkukomponentit ruoan avulla.