Milyen elemet használnak az akkumulátorokban? Az akkumulátorok szinte mindent működtetnek, amit manapság használunk - az okostelefonoktól kezdve a laptopokon át az elektromos járművekig és a nagyméretű hálózati tárolórendszerekig. De vajon megállt-e valaha is igazán, és feltette-e magának a kérdést, hogy valójában milyen elemek működtetnek egy akkumulátort? Például, hogy valójában mi a weboldalon belül azt a dobozt, ami lehetővé teszi, hogy energiát tároljon és szabadítson fel, amikor csak szüksége van rá?
Ha megérti az akkumulátorok kémiai összetételét, nem csak a kíváncsiságát elégíti ki - betekintést nyerhet a teljesítményükbe, a biztonságukba és az általuk okozott valódi fenntarthatósági kihívásokba.
Ez az útmutató feltárja a különböző típusú akkumulátorok kulcsfontosságú elemeit, azt, hogy miért fontosak ezek a különleges anyagok, hogyan befolyásolják az akkumulátorok működését és biztonságát, és milyen alternatívákat fejlesztenek a tudósok a jövőbeli energiatárolás számára. Ha nem csak az alábbiakat szeretné tudni mi van benne de miért ezek az anyagok számítanak, akkor hasznos olvasmányban lesz része.
12v 200ah nátrium-ion akkumulátor
Kamada Power 10kWh otthoni nátrium akkumulátor
Melyek az akkumulátorokban használt kulcsfontosságú elemek?
Az akkumulátorok kémiai úton tárolják az energiát, és elektrokémiai reakciók révén elektromos áram formájában szabadítják fel két elektróda - az anód és a katód - között, amelyek között elektrolit van. De itt a lényeg: az elemek amelyek ezeket az elektródákat alkotják, teljesen meghatározzák, hogy az akkumulátor mennyire jól működik.
Milyen elemeket használnak általában a mai akkumulátorok? Ezek jelennek meg a legtöbbször:
- Lítium (Li): Ez a lítium-ion akkumulátorok sztárja. Szuper könnyű, és grammonként sok energiát tartalmaz.
- Ólom (Pb): A régebbi típusú ólom-sav akkumulátorokban található, amelyeket gyakran használtak autókban vagy tartalék áramellátó berendezésekben.
- Nikkel (Ni): Ez a fém növeli a NiCd- és NiMH-akkumulátorok élettartamát és tartósságát.
- Kobalt (Co): Számos lítium-ion katódot stabilizál és növeli az energiájukat - de ennek ára van.
- Mangán (Mn): Segít csökkenteni a költségeket és biztonságosabbá teszi a lítium akkumulátorokat.
- Kadmium (Cd): Egykor népszerű volt a NiCd akkumulátorokban, de ma már kerülendő, mert mérgező.
- Cink (Zn): Olcsó és biztonságos, általában lúgos és cink-levegős elemekben használják.
- Grafit (C): Ez képezi a lítium-ion akkumulátorok anódját.
- Kén (S): Újabb katódanyag a lítium-kén akkumulátorok számára, nagy energetikai potenciállal.
- Nátrium (Na): A kutatók a nátriumion-akkumulátorokhoz hasonlóan. Mindenhol megtalálható és olcsóbb.
Mindegyik elemnek nagyon speciális szerepe van abban, hogy egy akkumulátor hogyan teljesít, mennyi ideig tart, mennyire biztonságos és mennyibe kerül. A döntések nem véletlenszerűek - stratégiai jellegűek.
1. táblázat: Gyakori akkumulátorelemek és legfontosabb tulajdonságaik
| Elem | Elsődleges akkumulátortípusok | Legfontosabb előnyök | Főbb aggályok |
|---|
| Lítium | Lítium-ion | Nagy energiasűrűség, könnyű | Etikus bányászat, költségek |
| Vezető | Ólomsavas | Alacsony költség, magas túlfeszültség | Nehéz, mérgező |
| Nikkel | NiCd, NiMH | Tartós, jó élettartamú | Toxicitás (Cd a NiCd-ben), költség |
| Kobalt | Lítium-ion katódok | Stabilizálja a katódot, az energiát | Magas költségek, etikai kérdések |
| Mangán | Lítium-ion katódok | Biztonság, költségcsökkentés | Mérsékelt energiasűrűség |
| Kadmium | NiCd | Tartós | Nagyon mérgező |
| Cink | Lúgos, cink-levegő | Olcsó, biztonságos | Korlátozott újratölthetőség |
| Grafit | Lítium-ion anódok | Stabil lítium interkaláció | Korlátozott kapacitás |
| Kén | Lítium-kén | Nagyon magas elméleti energia | Ciklus élettartamra vonatkozó kérdések |
| Nátrium | Nátrium-ion | Bőséges, alacsony költségű | Alacsonyabb energiasűrűség |
Hogyan használnak a különböző akkumulátortípusok különböző elemeket
Az akkumulátorok kémiai összetétele minden felhasználási esetben változik - a költségektől, az energiaigénytől és a teljesítményigénytől függően. Tekintsük át a leggyakoribb típusokat és a bennük lévő elemeket:
1. Lítium-ion akkumulátorok (Li-ion)
Bevont elemek: Lítium, kobalt, nikkel, mangán, grafit
Az emberek ma már a telefonoktól kezdve az elektromos autókig mindenben lítium-ion akkumulátorokat használnak, főként azért, mert nagy energiasűrűséget (150-250 Wh/kg) és jó ciklustartamot kínálnak. A lítiumionok egy grafitanód és egy katód között mozognak, amely olyan anyagokból készül, mint a lítium-kobalt-oxid (LiCoO₂), a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC) vagy a lítiumvas-foszfát (LFP).
- A kobalt segít stabilizálni a katódot, bár ez költség- és emberi jogi kérdéseket is felvet.
- A nikkel növeli az energiakapacitást és a tárolást.
- A mangán a hőállóság növelésével javítja a biztonságot.
- A grafit stabil alapként szolgál a lítiumionok számára a töltés során.
Bár ezek a kombinációk jól működnek, az ipar most megpróbálja csökkenteni a kobalt felhasználását mind költség-, mind etikai okokból.
2. Ólom-akkumulátorok
Bevont elemek: Ólom, kénsav
Az emberek még mindig az ólomakkumulátorokra hagyatkoznak az autómotorok indításakor és a vészhelyzeti tartalékok működtetésekor - főként azért, mert ezek olcsóak és megbízhatóak. Katódjuk ólom-dioxidot, anódjuk pedig kénsavban lévő szivacsos ólmot használ.
Koruk ellenére a felhasználók ragaszkodnak hozzájuk, mert újrahasznosíthatóak és megfizethetőek.
3. Nikkel-kadmium akkumulátorok (NiCd)
Bevont elemek: Nikkel, kadmium
A NiCd akkumulátorok hosszú ideig bírják a strapabíró használatot, de a kadmium mérgező hatása miatt károsak. Emiatt a legtöbb iparág lassan eltávolodik tőlük.
Bevont elemek: Nikkel, ritkaföldfémek
A NiMH akkumulátorok számos elektronikai eszközben és hibridben felváltották a NiCd akkumulátort. Biztonságosabbak és környezetbarátabbak, nikkel-hidroxid és fémhidrid elektródákat használnak.
5. Alkáli elemek
Bevont elemek: Cink, mangán-dioxid
Ezek a legjobb elemek olyan dolgokhoz, mint a távirányítók és az elemlámpák. Cink anódot, mangán katódot és kálium-hidroxidot használnak elektrolitként. Az emberek az eltarthatóságuk és az áruk miatt szeretik őket.
2. táblázat: A főbb akkumulátortípusok és főbb mutatóik összehasonlítása
| Akkumulátor típusa | Energiasűrűség (Wh/kg) | Ciklus élettartam (ciklusok) | Költségek | Környezeti hatás |
|---|
| Lítium-ion | 150-250 | 500-2000 | Magas | Mérsékelt, etikai aggályok |
| Ólom-akkumulátor | 30-50 | 200-500 | Alacsony | Mérgező fémek, újrahasznosítható |
| Nikkel-kadmium | 45-80 | 1000-2000 | Közepes | Mérgező kadmium |
| Nikkel-metálhidrid | 60-120 | 500-1000 | Közepes | Biztonságosabb, mint a NiCd |
| Lúgos | 100-150 (nem újratöltve) | N/A | Alacsony | Eldobható, korlátozott újrahasznosítás |
Miért ezeket az elemeket választották?
Az akkumulátorgyártók több, egymást átfedő okból választják ki az elemeket:
- Elektrokémiai viselkedés: Az elemeknek kedvező redoxpotenciálra van szükségük a működéshez. A lítium kis tömege és nagy reakcióképessége miatt kiválóan alkalmas erre.
- Energiatárolás: Egyes anyagok több levet tartanak, mint mások. Itt a lítium és a nikkel vezet.
- Stabilitás: Az akkumulátoroknak el kell viselniük a hőt, a hideget és a kémiai igénybevételt anélkül, hogy tönkremenne vagy tüzet okozna.
- Ár és elérhetőség: Minél nagyobb mennyiségben fordul elő egy elem, annál kevesebbe kerül a belőle készült akkumulátorok előállítása.
- Biztonság és etika: Egyes elemek, mint a kadmium vagy a kobalt, egészségügyi és munkaügyi problémákat vetnek fel, ezért a vállalatok most megpróbálják helyettesíteni őket.
A kobalt például javítja ugyan az akkumulátorok energiáját és szerkezetét, de költségei és bányászati problémái miatt a jövőben kevésbé lesz vonzó.
Minden egyes elem megváltoztatja az akkumulátor valós működését:
Energiasűrűség és kapacitás
- A nikkelben gazdag akkumulátorok 250 Wh/kg feletti értéket is elérhetnek - ideálisak a nagy hatótávolságú EV-k számára.
- Az ólom-sav akkumulátorok sokkal kisebb energiasűrűségűek, de jól használhatóak rövid távú vagy nagy teljesítményű felhasználásra.
Töltési/kisülési arányok
- A kobalt és a nikkel gyors töltést és stabil teljesítményt tesz lehetővé.
- A grafit anódok lehetővé teszik a lítium gyors be- és kiáramlását, javítva ezzel a töltési időt.
Biztonság és hőállóság
- A mangán és az LFP vegyületek tűzállóbbá teszik az akkumulátorokat.
- Az ólmot és a kadmiumot az emberekre és a környezetre gyakorolt mérgező hatásuk miatt óvatosan kezelik.
Toxicitás és hulladék
- Az olyan elemek, mint a kadmium és az ólom veszélyesek, ha nem megfelelően ártalmatlanítják őket.
- A lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása javul, ami segít a fémek visszanyerésében és a hulladéklerakókra gyakorolt hatás csökkentésében.
Az akkumulátorelemek környezetvédelmi és etikai aggályai
Bizonyos akkumulátor-alapanyagok beszerzése többről szól, mint azok kiásása:
- Kobalt a KDK-ból a nem biztonságos munkakörülményekhez és a gyermekmunkához kapcsolódik.
- Lítium bányászat a száraz helyeken a vízkészletekre és a közösségekre is hatással van.
- A nikkel és a ritkaföldfémek geopolitikai és ellátási láncbeli kihívásokkal járnak.
- Az újrahasznosítási technológia még mindig elmarad a kereslettől - de a jövő szempontjából elengedhetetlen.
A kormányok, különösen az EU-ban, az akkumulátorgyártókat a tisztább beszerzés és a körforgásos gyakorlatok felé terelik.
Új alternatív elemek a következő generációs akkumulátorokban
A mai költség-, etikai és ellátási problémák megoldására a kutatók újabb lehetőségeket vizsgálnak:
Nátrium-ion akkumulátorok
A nátrium olcsóbb és könnyebben beszerezhető, mint a lítium. Ezek a nátrium-ion akkumulátorok talán nem tárolnak annyi energiát (100-160 Wh/kg), de jól működhetnek a nagy tárolókban.
Lítium-kén akkumulátorok
Ezek akár 400+ Wh/kg-ot is ígérnek a kén felhasználásával - ami olcsó és bőségesen rendelkezésre áll. A kéntartalmú akkumulátorok azonban még mindig küzdenek azzal, hogy idővel veszítenek a kapacitásukból.
Grafén akkumulátorok
A grafén hozzáadásával ezek az akkumulátorok gyorsabban töltődnek és tovább bírják - bár még mindig drága az előállításuk.
Szilárdtest akkumulátorok
Folyadék helyett szilárd elektrolitokat használnak, ami biztonságosabbá és energiasűrűbbé teszi őket.
Cink-alapú akkumulátorok
Ezek olcsóak, nem mérgezőek és könnyen újrahasznosíthatók. A cink-levegő akkumulátorok a közeljövőben otthonokat és hálózatokat láthatnak el energiával.
Kobaltmentes akkumulátorok
Az LFP vagy magas nikkeltartalmú vegyületeket használó akkumulátorok teljesen elkerülik a kobaltot, ami hozzájárul a költségek csökkentéséhez és a biztonság javításához.
Vas-levegő akkumulátorok
Ezek vasat és levegőt használnak, és célja, hogy hosszú távú tárolást biztosítsanak rendkívül alacsony költségek mellett. De jobb újratölthetőségre és energiasűrűségre van szükségük.
3. táblázat: Új akkumulátor-technológiák és potenciáljuk
| Akkumulátor típusa | Elméleti energiasűrűség (Wh/kg) | Legfontosabb előnyök | Főbb kihívások |
|---|
| Nátrium-ion | 100-160 | Alacsony költségek, bőséges erőforrások | Alacsonyabb energiasűrűség |
| Lítium-kén | 400+ | Nagyon nagy energiasűrűség | Ciklus-élettartam, poliszulfid ingázás |
| Grafénnel erősített Li | 250+ | Gyors töltés, hosszú élettartam | Gyártás összetettsége |
| Szilárdtestek | 300-500 | Nagy biztonság, energiasűrűség | Skálázhatóság, költség |
| Cink-levegő | 300-400 | Biztonságos, alacsony költségű, újrahasznosítható | Újratölthetőség, teljesítmény |
| Vas-levegő | 300+ | Nagyon alacsony költségű, bőséges anyagok | Teljesítménysűrűség, újratölthetőség |
Következtetés
Ha már tudja, hogy milyen elemek kerülnek az akkumulátorokba, és miért vannak ott, akkor kezdi megérteni, hogy a gyártóknak milyen kompromisszumokat kell kötniük. Lehet, hogy most még a lítium dominál, de a jövőben a nátrium, a kén és a cink vezethet.
Az akkumulátorok jövője nem csak a kémián múlik majd - a tudományon, az etikán és az intelligens beszerzésen is.
GYIK
Mi a lítium-ion akkumulátorokban leggyakrabban használt elem?
Az lítium lenne. De katódként kobaltot, nikkelt és mangánt is használnak - és grafitot az anódhoz.
Minden alkalmazáshoz a lítium akkumulátorok a legjobb választás?
Nem. Az olyan dolgokhoz, mint a helyhez kötött tárolás vagy az alacsonyabb költségvetésű felhasználás, az ólom-sav vagy a nátrium-ion jobb lehet.
Tudnak-e a gyártók mérgező elemek, például kobalt nélkül gyártani akkumulátorokat?
Igen, és sokan már most is ezt teszik - az LFP és a magas nikkeltartalmú vegyületek egyre nagyobb teret hódítanak.
Hogyan befolyásolja az elemválasztás az akkumulátor élettartamát?
A jobb anyagok kevésbé romlanak. A mangán és a vasfoszfát például hosszabb élettartamot biztosít az akkumulátoroknak.
Melyek a legbiztonságosabb akkumulátorok?
A szilárdtest- és LFP-akkumulátorok jobb termikus biztonságot és kisebb tűzveszélyt kínálnak, mint a kobaltnehéz lítiumion-akkumulátorok.