A piacon kapható egyszer használatos (primer) elemek nemcsak fizikai méretükben, de kémiai rendszerüket tekintve is sokfélék lehetnek. A régi szén-cink elemeket felváltották a széles körben használatos alkáli elemek, ma pedig előszeretettel használja az ipar a lítiumelemeket, melyek tartósabbak, jobban terhelhetők, könyebbek a hétköznapi eldobható elemeknél. Cikkünk segít eligazodni a tervezőmérnököknek az egyes változatok között a világ egyik vezető primer elemgyártója, az EVE Battery kínálatának bemutatásával.
Lítium technológia – eldobható és tölthető elemek
Az elem egy olyan energiatároló és átalakító rendszer, mely kémiai reakció útján képes töltést létrehozni, azaz a kémiai energiát villamos energiává alakítani. Ebben a mini reaktorban – annak áramkörbe kapcsolásakor – lejátszódó kémiai reakció szabad elektronokat hoz létre.
A telep kisülése során ezeknek a szabad elektronoknak a katód felé áramlása az a villamos áram, melyet az anód és katód közé kapcsolt külső áramkör táplálásához használhatunk fel. Ha a kisülés után a kémiai reakció nem visszafordítható, akkor primer (eldobható) telepről beszélünk, ha valamelyik a reakcióban résztvevő anyag elfogy, az elem lemerül, és cserére szorul.
Az elemtechnika fejlődése során a lítium, mint a legkisebb sűrűségű, a legnagyobb elektrokémiai potenciállal és legjobb energiatárolóképesség/tömeg hányadossal rendelkező fém alkalmazhatósága került előtérbe. A szakirodalom a lítium vagy lítium-fém elemeken a fém lítium adóddal rendelkező primer (eldobható) elemeket érti, ami nem keverendő össze az újratölthető lítium-ion elemekkel.
Lítium–fém primer elemek általános jellemzői
Névleges kapacitás Adott kisütési körülmények (adott C-rate – kisütési áram) mellett értelmezett, a teljes feltöltéstől a letörési feszültség eléréséig rendelkezésre álló Ah érték, melyet a kisütési áram értékének (A) a kisülésig eltelt idő (h) szorzatával definiálunk.
C= I (A) * t (h)
Telepfeszültség A névleges feszültség az elem elsődleges jellemzésére referenciaként szolgál, a valóságban azonban meg kell különböztetni az úgynevezett nyitott állapotú OCV (Open Circuit Voltage) és a terhelés alatti CCV (Closed Circuit Voltage) értéket. Az a feszültség, ahol az elem teljesen kisültnek tekinthető az ún. letörési, vagy Cut-Off feszültség.
Passziváció A passziváció a primer lítiumelemekre jellemző fizikai jelenség, mely a fém lítium anód és az elektrolit kölcsönhatásával van kapcsolatban. Amikor a gyártás során a cellába elektrolit kerül, egy vékony ún. passzivációs réteg alakul ki az anódfelületen, melynek fontos szerepe van abban, hogy terheletlen állapotban a további reakciót megakadályozva az elemet megvédje a lemerüléstől.
Amikor a cellában áram kezd folyni, az ionáramlás elbontja a passzívációs réteget. Normál körülmények közt a vékony réteg nem csökkenti a telep használhatóságát, azonban ha az rossz tárolási körülmények miatt nagyon megvastagszik, akkor problémát jelenthet a terhelés rákapcsolásakor. Hosszú, hónapokig vagy évekig tartósan szobahőmérséklet felett tárolt lítium elemekben a passzivációs réteg nagyon megvastagodhat, ami a terhelés megjelenésekor késleltetést okozhat az elvárt kimeneti feszültség megjelenésében.
Míg kis áramterhetéskor a késleltetés után elfogadható idő alatt megérkezik a feszültségválasz, ha az elemnek hirtelen nagy impulzusterhelést kell kiszolgálnia, előfordulhat, hogy a feszültség a letörési feszültség alatt marad. A megfelelő tárolási körülmények biztosítása a legjobb módszer a feszültségkésleltetési problémák leküzdésére, azonban számos más módszerrel is javíthatunk a passziváció okozta problémákon, például folyamatos alacsony terhelésen való tartással, vagy intelligens pogramozott indítással is.
Nem szabad azonban a passzívációt káros jelenségnek tartani, hiszen ez biztosítja a lítium elemek kivételesen hosszú tárolhatóságát. A későbbiekben részletesebben foglalkozunk a LiMnO2 elemekkel, melyeknél a passziváció még hosszú ideig való tároláskor és rövid ideig tartó magas hőmérsékletnek való kitételkor sem jelentkezik. A többi Li alapú kémiai rendszer esetén alacsony és folyamatos terhelés az ideális.
Belső felépítés A primer Li elemek belső felépítéséről is kell szólni néhány szót, mert a struktúra jelentős viselkedésbeli eltéréseket eredményez. A hengeres LiSOCl2 elemek általában vagy spirális vagy úgynevezett „Bobbin” struktúrájúak. Előbbiek mag köré spirálisan tekercselt nagyfelületű fémlapot használnak a nagy áramok eléréséhez, míg a Bobbin cellák fém lítiumból készült hengerből és cérnaterecsre hasonlító belső elektódából állnak.
A spirális cellákban minél több rétegű a tekercs, annál kisebb hely van az elektrolit számára, ezért ezeknek az elemeknek a töltéshordozó képessége kisebb, azonban a nagy elektródafelület miatt az impulzusáramuk igen magas. A Bobbin cellákban nagyobb az elektrolit mennyisége, és bár kisebb áramot tudnak leadni, energiatároló képességük 30%-al magasabb, mint az azonos méretű spirális celláknak. Ezért az alkalmazástól függően, ahol pillanatszerű nagy áramerősségre van szükség, ott a spirális cellák kerülnek előtérbe, ahol a kapacitás a lényegesebb, ott a Bobbin cella alkalmazható eredményesebben.
Megjegyzendő, hogy a spirális cella a nagy áramimpulzus leadási képessége miatt külső fizikai behatás esetén veszélyesebb, és bár az EVE speciális biztonsági szelepei a komoly problémákat megakadályozzák, az ilyen elemekből épült nagyenergiájú csomagok használata helyett inkább bobbin elemek és nagy impulzusáramot biztosítani képes SPC eszközök együttes használata javasolt. A spirális cellák másik előnyös tulajdonsága, hogy a feszültségkésleltésük kisebb, mint a Bobbin struktúrájú társaiké. Az SPC-vel épített elemcsomagok ezt a problémát is kiküszöbölik, mert az energia az SPC-ből késleltetés nélkül kerül a rendszerbe.
A cikk teljes terjedelemben a Jövő Gyára decemberi számában olvasható.
