Chemia ogniw i części

Anoda

Anoda jest jedną z dwóch elektrod w akumulatorze pojazdu elektrycznego (EV), a drugą jest katoda. Podczas cyklu rozładowania na anodzie zachodzi utlenianie, uwalniające elektrony do obwodu zewnętrznego, aby zasilić urządzenie lub pojazd. Podczas cyklu ładowania na anodzie zachodzi redukcja, absorbująca elektrony z obwodu zewnętrznego i magazynująca energię w akumulatorze.

W akumulatorze litowo-jonowym anoda jest zazwyczaj wykonana z grafitu, który posiada warstwową strukturę umożliwiającą wbudowywanie jonów litu między warstwami. Gdy akumulator się rozładowuje, jony litu przemieszczają się z anody do katody przez elektrolit, podczas gdy elektrony płyną przez obwód zewnętrzny. Podczas ładowania zachodzi proces odwrotny – jony litu przemieszczają się z katody z powrotem do anody.

Wydajność anody jest kluczowa dla ogólnych osiągów i bezpieczeństwa akumulatora pojazdu elektrycznego. Materiał wysokiej jakości powinien mieć dużą pojemność magazynowania jonów litu, dobrą przewodność, stabilną strukturę i odporność na degradację podczas wielu cykli ładowania i rozładowania. Choć anody grafitowe spełniają te wymagania, badacze poszukują innych materiałów, takich jak krzem, który ma znacznie większą pojemność, ale jest bardziej podatny na degradację.

Firmy takie jak StoreDot pracują nad anodami opartymi na krzemie. Teoretycznie może to podwoić gęstość energetyczną na poziomie ogniwa, przynosząc znaczące korzyści pojazdom elektrycznym.

Katoda

Katoda to elektroda, na której podczas cyklu rozładowania zachodzi redukcja, akceptując elektrony z obwodu zewnętrznego w celu zasilenia urządzenia lub pojazdu. Podczas cyklu ładowania na katodzie zachodzi utlenianie, uwalniające elektrony do obwodu zewnętrznego i magazynujące energię w akumulatorze.

W akumulatorze litowo-jonowym katoda jest zazwyczaj wykonana z tlenku metalu, takiego jak tlenek kobaltu litowego (LCO), tlenki litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC) lub fosforan litowo-żelazowy (LFP). Wybór materiału katodowego znacząco wpływa na osiągi, bezpieczeństwo i koszt akumulatora.

Tlenki litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC)

Katody NMC są popularne w akumulatorach pojazdów elektrycznych ze względu na wysoką gęstość energetyczną i dobrą stabilność termiczną. Oferują równowagę między gęstością energetyczną a gęstością mocy, co czyni je odpowiednimi do szerokiego zakresu zastosowań w EV.

Różne wersje katod NMC, takie jak NMC111, NMC532 i NMC622, odnoszą się do stosunków niklu, manganu i kobaltu. Wyższa zawartość niklu zwiększa gęstość energetyczną, ale również koszt. Najnowsze rozwiązania to NMC811 i NMC622, które oferują jeszcze wyższą gęstość energetyczną, choć mogą występować wyzwania związane ze stabilnością termiczną i trwałością cykli. NCM9 to najnowsza ewolucja o zawartości niklu wynoszącej 90%.

Rozmiar cząstek i morfologia materiału katody również wpływają na wydajność. Mniejsze cząstki mogą poprawiać zdolność do szybkiego rozładowania i gęstość mocy, podczas gdy większe cząstki mogą zwiększać gęstość energetyczną.

Tlenki litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe (NCA)

Katody NCA charakteryzują się wysoką gęstość energetyczną i są stosowane w akumulatorach pojazdów elektrycznych, zwłaszcza w samochodach Tesli. Oferują wysoką gęstość energetyczną i dobre osiągi, co czyni je popularnym wyborem wśród wielu producentów EV.

Katody NCA zazwyczaj zawierają nikiel, kobalt, aluminium i tlen. Zapewniają dużą gęstość energetyczną, co przekłada się na większy zasięg jazdy. Katody NCA mają również dobrą gęstość mocy i długą żywotność cykli, ale mogą być wrażliwe na wysokie temperatury, co wymaga zaawansowanych systemów zarządzania termicznego.

Fosforan litowo-żelazowy (LFP)

LFP to materiał katodowy powszechnie stosowany w akumulatorach EV ze względu na wysoką stabilność termiczną i długą żywotność cykli. Katody LFP mają niższą gęstość energetyczną w porównaniu z innymi typami, ale zapewniają dobre bezpieczeństwo, trwałość i opłacalność.

Katody LFP składają się z fosforanu litowo-żelazowego (LiFePO4), stabilnego i nietoksycznego materiału. Są popularne w Chinach ze względu na surowe przepisy dotyczące bezpieczeństwa. Marki takie jak Tesla wykorzystują LFP w swoich modelach o niższym zasięgu.

Zalety LFP

• Wysoka stabilność termiczna, zmniejszająca ryzyko nagłego przegrzania (thermal runaway).
• Długa żywotność cykli, co sprawia, że są odpowiednie do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności.
• Niższy koszt w porównaniu do chemii opartych na niklu.

Wady LFP

• Niższa gęstość energetyczna, co sprawia, że są mniej odpowiednie dla EV o dużym zasięgu.
• Słabe osiągi w niskich temperaturach, wpływające na pojemność rozładowania i szybkość ładowania.

Fosforan litowo-manganowo-żelazowy (LMFP)

LMFP łączy wysokie bezpieczeństwo LFP i wysoką gęstość energetyczną fosforanu litowo-manganowego (LMP). Jest obiecującym materiałem katodowym dla akumulatorów litowo-jonowych o wysokich osiągach, szczególnie w pojazdach elektrycznych.

Zalety LMFP

• Wysoka stabilność termiczna i niskie ryzyko nagłego przegrzania.
• Wysoka gęstość mocy i możliwość szybkiego ładowania.
• Długa żywotność cykli i dobre parametry przy dużych prądach (rate performance).
• Niski koszt i przyjazność dla środowiska.
• Wysoki poziom napięcia i poprawiona pojemność właściwa.

Wyzwania LMFP

• Niska przewodność elektronowa i współczynnik dyfuzji jonów litu.
• Przejścia fazowe i zniekształcenia sieci krystalicznej podczas cykli.
• Rozpuszczanie manganu w wysokich temperaturach.
• Kompatybilność z elektrolitem i stabilność na granicy faz.

Podsumowanie materiałów katodowych

Separator

Separator jest niezbędnym elementem akumulatora pojazdu elektrycznego, umieszczonym między katodą a anodą, aby zapobiec zwarciom. Zazwyczaj jest to cienka, porowata membrana z tworzywa sztucznego, która pozwala jonom litu przepływać między elektrodami, jednocześnie blokując przepływ elektronów.

Separator zapewnia fizyczną barierę, umożliwia przepływ jonów litu oraz pomaga utrzymać wewnętrzną strukturę akumulatora, zapobiegając tworzeniu się dendrytów. Dobry materiał separatora powinien charakteryzować się wysoką przewodnością jonową, niską przewodnością elektryczną i dobrą stabilnością termiczną.

Do najczęściej stosowanych materiałów separatora należą polietylen (PE), polipropylen (PP) oraz materiały ceramiczne, takie jak fosforan litu, glinu i tytanu (LATP).

Elektrolit

Elektrolity ciekłe w akumulatorach litowo-jonowych składają się z soli litu rozpuszczonych w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak węglan etylenu, dimetylowy węglan i dietylowy węglan. Pełnią one rolę przewodnika dla kationów przemieszczających się między elektrodami podczas rozładowania i ładowania.

Akumulatory ze stałym elektrolitem oferują potencjalne zalety, takie jak wyższa gęstość energetyczna, szybsze ładowanie, dłuższa żywotność i lepsze bezpieczeństwo. Jednak napotykają wyzwania, takie jak wysoki koszt, niska gęstość mocy i słaba stabilność interfejsu.

Akumulatory półstałe i quasi-stałe to hybrydowe typy łączące stałe i ciekłe elektrolity, dążąc do przezwyciężenia niektórych wad akumulatorów ze stałym elektrolitem.

Kolektor prądu

Kolektor prądu ułatwia przepływ prądu między elektrodą a obwodem zewnętrznym. W akumulatorach litowo-jonowych zazwyczaj jest to cienka folia metalowa wykonana z miedzi lub aluminium, pokryta warstwą węgla w celu poprawy przewodności i zapobiegania korozji.

Projekt i materiały kolektora prądu znacząco wpływają na wydajność i trwałość ogniwa akumulatora.

Akumulator pojazdu elektrycznego wyjaśniony za pomocą jedzenia

W poniższym wideo naukowiec i inżynier ds. akumulatorów Jill Pestana z kanału YouTube Across the Nanoverse wyjaśnia różne części akumulatora za pomocą jedzenia.