A lítium-ion- és a következő generációs akkumulátorok legújabb vizsgálati és megfigyelési megközelítései
Az elektromos és elektronikus berendezések egyre széleskörűbb felhasználásának hatására – gondoljunk csak az egyre kisebb és vékonyabb elektronikus eszközökre, a nagy kapacitású és biztonságos jármű-akkumulátorokra, vagy a lakossági energiatároló rendszerekre – a lítium-ion akkumulátorok iparága nagyon fontos lett. Az elmúlt években a lítium-ion akkumulátorok kapacitása egyre nőtt, valamint az átlagos töltési idő is drasztikusan csökkent. Azonban ez az akkumulátortípus sem mentes a biztonsági kockázatoktól: a gyulladás, illetve a hő- és füsttermelés egyaránt problémát jelenthetnek. Az ilyen problémák lehető legnagyobb mértékű kizárásához elengedhetetlen a biztonságra fókuszáló K+F, a minőségirányítás, és a minőségbiztosítás.
Meg kell jegyeznünk azt is, hogy ebben az iparágban a lehető leggyorsabban kell elvégezni a megfigyelést, elemzést, értékelést és jelentéskészítést is, mivel az elképesztő mértékű piaci verseny következtében elengedhetetlen a gyors termékfejlesztés. Ebben a részben szót ejtünk a lítium ion- és a manapság gyakran emlegetett következő generációs akkumulátorokat illető alapvető tudnivalókról, valamint példákat is bemutatunk a legújabb megfigyelési és elemzési módszerekre, amelyekkel sokkal hatékonyabb lesz a munkavégzés.
- A lítium-ion akkumulátorok alapvető felépítése, típusai, és a gyártáshoz felhasznált alapanyagok
- A lítium-ion- és a következő generációs akkumulátorokhoz hasonló másodlagos akkumulátorok vizsgálati és megfigyelési problémái
- Az alábbi részben megtekintheti a 4K-s digitális mikroszkópunk legújabb felhasználási példáit, amely készülékkel hatékonyabban lehet a lítium-ion akkumulátorokat vizsgálni, elemezni és értékelni.
- Egy 4K-s mikroszkóp, amely optimalizálja a másodlagos akkumulátorokra koncentráló kutatásfejlesztést, tervezést, és minőségbiztosítást
A lítium-ion akkumulátorok alapvető felépítése, típusai, és a gyártáshoz felhasznált alapanyagok
A lítium-ion akkumulátorok (röviden LiB) számos termékben töltik be a másodlagos akkumulátor szerepét. Gondoljunk csak az olyan kicsi és vékony elektronikus eszközökre, mint az okostelefonok, a táblagépek, a hordható készülékek, és a laptopok. Azonban az elektromos járművekhez (EV) és a hibrid elektromos járművekhez (HEV) használt járműakkumulátorok is ilyen típusúak, nem is beszélve a lakossági fotovoltaikus- és üzemanyagcellás megoldások energia tároló rendszereiről. Mivel a felhasználási területek száma megsokszorozódott, ezért manapság rengeteg különböző felépítésű és formájú lítium-ion akkumulátort gyártanak. A következő sorokban bemutatjuk többek között a lítium-ion akkumulátorok felépítését és tipikus formai kivitelét is.
A lítium-ion akkumulátorok alapvető felépítése
A lítium-ion akkumulátorok minden alkatrészét (és azok funkcióit is) bemutatjuk. Egy ábrát is mellékeltünk, ami a lítium-ion akkumulátorok tipikus alapvető felépítését hivatott szemléltetni.
- A) Negatív elektróda (katód): kiválóan vezető, szénalapú anyagokkal (grafit, lítium-titanát, stb.) bevont rézfólia.
- B) Pozitív elektróda (anód): lítium-kompozit oxidokkal (lítium, mangán, kobalt, nikkel és vas-foszfát stb.) bevont alumíniumfólia.
- C) Elválasztó: egy mikropórusos membrán, amely egy poliolefin nevű kémiai vegyületből készül (ilyen anyag például a polietilén [PE] és polipropilén [PP]). A membrán felületén kicsi (1 mikrométernél nem nagyobb) lyukak vannak. Az elválasztó választja el az anódot a katódtól, amire a tűzvédelem miatt is szükség van.
- D) Elektrolit: organikus oldószerben oldott lítiumsó.
- E) Töltés
- F) Kisülés
- G) Áramgyűjtő: betölti az elektromos vezető (a megtermelt elektromosság begyűjtéséhez) és a hordozóanyag szerepét is. Alumíniumfólia az anód, és rézfólia a katód.
- H) Kötőanyag: segítségével kevert anyagokat rögzítenek az áramgyűjtő fóliára.
- I) Aktív anyag: jelentősen befolyásolja a kapacitást, a feszültéget, és az akkumulátor egyéb jellemzőit. Több különféle anyag (például lítium-kobalt-oxid, lítium-mangán-oxid és lítium-vas-foszfát), keverési arány és keverési módszer is használható.
A lítium-ion akkumulátorok formája
A lítium-ion akkumulátorok cellái – amelyek az előző sorokban ismertetett módon épülnek fel – különböző formájú és anyagú házakba lehetnek beépítve. A lehetséges házformákat az alábbiakban ábrák segítségével ismertetjük.
- Hengeres típus
-
- A: anódcsatlakozó
- B: katódcsatlakozó
- a: anód
- b: katód
- c: elválasztó
Általánosan elfogadott álláspont, hogy a hengeres lítium-ion akkumulátorok energiasűrűség/költség aránya a legkedvezőbb. Viszont ha egy ilyen formájú házban több cellát is kombinálunk, akkor elkerülhetetlenül hézagok lesznek a cellák között – ami alacsonyabb sűrűséget jelent.
- Prizmatikus típus
-
- a: anód
- b: katód
- c: elválasztó
A prizmatikus lítium-ion akkumulátorok háza gyakran alumíniumból készül. Az ilyen akkumulátor polaritása az akkumulátorház anyagától (vas vagy alumínium) függően változik. A vas akkumulátorházas kiszerelésnél a pozitív csatlakozó van felül, az alumínium kiszerelés esetén pedig a negatív.
- Laminált típus (lítium-polimer akkumulátor)
-
- A: anódcsatlakozó
- B: katódcsatlakozó
- a: anód
- b: katód
- c: elválasztó
A laminált típust lítium-polimer akkumulátornak is szokás nevezni. Ezt főként vékony készülékekhez (pl. okostelefonokhoz és tabletekhez) használják, mivel a cellák fóliás laminálásának köszönhetően ezek az akkumulátorok vékonyabbak.
Az ilyen akkumulátorokhoz általában polimertartalmú zselét használnak, például polietilén-oxidot (PEO), polipropilén-oxidot (PPO) vagy polivinilidén-difluoridot (PVDF).
A lítium-ion akkumulátorokban lévő anódok és katódok gyártásához használt anyagok és tulajdonságaik
Az anódok és katódok gyártásához használt anyagok az elvárt jellemzőktől és a felhasználási területtől függően változnak. Sőt, az anyagválasztás a gyártási költségeket is befolyásolja. A következő sorokban az általános anyagtípusokat és azok tulajdonságait mutatjuk be.
- Kobalt alapú
anód: lítium-kobalt-oxid LiCoO2/katód: grafit LiC6 - Ezek a leggyakoribb lítium-ion akkumulátorok, gyakran találkozhatunk velük például a hordozható készülékekben. A kobalt azonban drága, és fennáll a hőkitörés veszélye, ezért ez az akkumulátor nem elég biztonságos a gépjárműipar számára.
- Nikkel alapú
anód: lítium-nikkel-oxid LiNiO2/katód: grafit LiC6 - A nikkelalapú lítium-ion akkumulátorok büszkélkedhetnek a legnagyobb kapacitással. A múltban ezt a típust nem tartották elég biztonságosnak. A nikkel egy részének kobalttal történő helyettesítésével és alumínium hozzáadásával előállított NCA-alap azonban biztonságosabbá tette ezt a típust, így alkalmassá vált a plug-in hibrid elektromos járművek számára.
- Mangán alapú
anód: lítium-mangán-oxid LiMn2O4/katód: grafit LiC6 - A járművek általában mangánalapú lítium-ion akkumulátorokat (LMO) használnak, mert a mangán olcsó – a kobalt árának csupán tizede –, és a merev kristályszerkezetnek hála kiváló a hőstabilitása, így az ilyen akkumulátorok nagyon biztonságosak.
- Vas-foszfát alapú
anód: lítium-vas-foszfát LiFePO4/katód: grafit LiC6 - A vas-foszfátot használó lítium-ion akkumulátorok kristályszerkezete nagyon biztonságos, mert még az akkumulátorokra jellemző melegedés mellett is csak nehezen lehet megtörni. Egy másik jelentős előnye, hogy még a mangánalapú akkumulátoroknál is olcsóbb a gyártás. Hátránya az alacsony energiasűrűség.
- Háromkomponensű
anód: a lítium-kobalt-oxid egy részét nikkellel és mangánnal helyettesítik Li(Ni-Co-Mn)O2/katód: grafit LiC6 - A háromkomponensű lítium-ion akkumulátorok (más néven NCM-alapú akkumulátorok) három összetevő kombinációját alkalmazzák – kobaltot, nikkelt, és mangánt – a nagyobb biztonság érdekében. Az NCA-alapú akkumulátorokhoz hasonlóan ezt a típust is plug-in hibrid elektromos járművekben használják.
- Titánsav alapú
anód: lítium-mangán-oxid LiMn2O4/katód: lítium-titanát Li4Ti5O12 - A titánsav alapú lítium-ion akkumulátorok élettartama hosszú: körülbelül hatszor hosszabb, mint a hagyományos, grafitkatódos lítium-ion akkumulátoroké, illetve nagyon gyorsan fel lehet őket tölteni. Viszont az energiasűrűségük alacsony, ami jelentős hátrányt jelent.
A lítium-ion- és a következő generációs akkumulátorokhoz hasonló másodlagos akkumulátorok vizsgálati és megfigyelési problémái
A lítium-ion akkumulátorok módosítása és teljesítményének fokozása mellett a gyártók a másodlagos akkumulátorok következő generációjának fejlesztésén is dolgoznak. A továbbiakban az olyan következő generációs akkumulátorok típusait és jellemzőit mutatjuk be, amelyek várhatóan a közeljövőben kerülnek széleskörben forgalomba. A rendkívül kompetitív másodlagos akkumulátorok iparágának megfigyelési és elemzési problémáit is felvázoljuk.
Olyan következő generációs akkumulátorok, amik a közeljövőben feltehetően széleskörben elterjednek
Az egyre bővülő felhasználási igényeknek – mint például az elektromos járművek (EV-k) energiaellátása – köszönhetően a következő generációs másodlagos akkumulátorok várhatóan még biztonságosabbak és még nagyobb kapacitásúak lesznek. Rengeteg kisebb és nagyobb cég is fáradhatatlanul azon dolgozik, hogy az egyre fejlettebb következő generációs másodlagos akkumulátorok kidolgozásával biztosítsák a vállalkozás jövőjét. Most pedig bemutatjuk a következő generációs másodlagos akkumulátorokat.
- Lítium-levegő akkumulátor
- Egyes tanulmányok szerint az energiasűrűség meghaladhatja akár a 10 000 Wh/kg értéket is. A tesztek során kb. 600 Wh/kg-ot sikerült elérni. Azonban ne feledjük, hogy a katódhoz használt lítium fém felszínén könnyen képződnek lerakódások. Ebből kifolyólag a fém tulajdonságait negatívan befolyásolhatja a párával vagy levegővel való érintkezés, valamint ez potenciális veszélyforrás is lehet.
- Szilárdtest-akkumulátor
- A lítium-ion akkumulátorokra jellemző folyékony elektrolitok helyett ez a kivitel szilárd elektrolitot használ elválasztóként. Ennek köszönhetően sokkal rugalmasabban lehet megtervezni az akkumulátor formáját, valamint az esetleges szivárgások sem jelentenek problémát. Elméletileg ez a modell legalább 2000 Wh/kg energiasűrűséget biztosít. Viszont ez csak elméletben van így. Jelenleg is folynak a K+F-folyamatok, amelyeknek célja, hogy ezt az akkumulátortípust a gyakorlatban is legalább 500 Wh/kg energiasűrűséggel lehessen használni. Az ilyen típusú akkumulátorok gyorsan merülnek, de gyorsan is tölthetők, és akár sok töltési ciklus után sem veszítenek a teljesítményükből.
Jelenleg két szilárd elektrolittípus érhető el: a kén alapú és az oxigén alapú. A kénalapú elektrolit kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, de fennáll annak a veszélye, hogy meggyújtva vagy vízzel történő reakció hatására hidrogén-szulfid keletkezik. Először az elektronikus eszközökhöz kezdtek szilárdtest-akkumulátorokat gyártani.
- Következő generációs lítium-ion akkumulátor
- A katód anyaga szilikon vagy grafén. Jelenleg jelentős K+F erőfeszítések folynak, amelyeknek célja, hogy az ilyen típusú akkumulátorok kapacitását növeljék anélkül, hogy új gyártási módszereket kellene bevetni. Kutatói körökben egyre több figyelmet szentelnek a különböző elektrolitok töltési- és merülési ütemre gyakorolt hatására is.
- Lítium-kén akkumulátor
- A lítium-kén akkumulátorok elméletileg elérhetik akár a 2500 Wh/kg-os energiasűrűséget is, lekörözve a szilárdtest-akkumulátorokat, és ráadásul a kobalthoz hasonló drága alapanyagokra sincs szükség a gyártásukhoz. Mindezeknek hála az ilyen akkumulátoroknak nem csak a kapacitása nagy, de olcsók is. Ugyanakkor a lítium-kén akkumulátorok vezetőképessége és stabilitása alacsony, és többszöri töltés hatására a teljesítmény is romlik.
- Nátrium-ion akkumulátor
- Bár az energiasűrűség nagyjából megegyezik a jelenlegi lítium-ion akkumulátorokéval, a nátrium-ion akkumulátorok gyártási költségei alacsonyak, mivel nincs szükség sem ritka fémekre, sem pedig új gyártóberendezésre. A meglévő lítium-ion akkumulátorokhoz hasonlóan a nátrium-ion akkumulátorokkal kapcsolatban is vannak biztonsági aggályok (például a nátriumlerakódások nagy reakcióképessége miatt). A másik probléma pedig az, hogy sok töltési ciklus után romlik a teljesítmény.
A lítium-ion akkumulátorokhoz hasonló másodlagos akkumulátorok vizsgálati és megfigyelési problémái
A különböző gyártók egymással versengve próbálnak minél biztonságosabb és jobb teljesítményű lítium-ion akkumulátorokat kidolgozni. A gyors termékfejlesztés megköveteli a kiváló minőségbiztosítást és -irányítást. Ezenkívül számos kutató és gazdasági szereplő törekszik a jobbnál jobb akkumulátortechnológiák feltalálására és az azokon alapuló akkumulátorok gyártására, ami komoly versenyhez vezet a kutatás, a fejlesztés és a szabadalmazások területén is.
Ezért kulcsfontosságú a lehető leggyorsabban és legpontosabban elvégzett megfigyelés, elemzés és mennyiségi értékelés, hiszen mindezek kulcsfontosságúak lehetnek a másodlagos akkumulátorok kutatása, fejlesztése és továbbfejlesztése keretein belül végzett minőségbiztosítás és tesztelés során.
Az optikai mikroszkóppal végzett megfigyelés és elemzés azonban a következő problémákkal küszködik:
- A fókuszbeállítás és a fényviszonyok meghatározása nehézkes a háromdimenziós vagy finom felületi karcolásokkal rendelkező, alacsony kontrasztú céltárgyak esetében. Az ilyen céltárgyak esetén a fókuszpozíció kezelőnként változik, ami hibás értékeléshez vezethet.
- A különböző fényes felületű anyagok keverékét tartalmazó részek megfigyelése során például becsillanás is előfordulhat. Nehéz meghatározni az ilyen céltárgyak megfigyelésére alkalmas világítási beállításokat, ami gyakran elemzési hibákat okoz.
- A minta és a megfigyelési szög beállítása munka- és időigényes folyamat.
- Az ipari szabványokkal összhangban folytatott szennyeződésfelméréshez és idegenrészecske-megfigyeléshez az előkészületek nehézkesen lehetnek, ami azt jelenti, hogy sok időt és erőfeszítést igényelnek. Mindezek mellett a pontos elemzési eredmények és mennyiségi értékek méréséhez komoly szaktudás is szükséges.
- A mért értékek és a részecskeszámlálások eredményei alapvetően nem számszerű formában vannak tárolva, ami azt jelenti, hogy rengeteg kell dolgozni ahhoz, hogy használható elemzéseket, értékeléseket és jelentéseket kapjunk.
Ha tovább olvas a 4K-s digitális mikroszkópunkra vonatkozó alkalmazási példákat láthat. Ez az eszköz megoldást jelent az eddig felvázolt a problémákra, hiszen a mikroszkóppal egyszerű műveletek segítségével végezhet gyors és megbízható megfigyeléseket és elemzéseket.
Az alábbi részben megtekintheti a 4K-s digitális mikroszkópunk legújabb felhasználási példáit, amely készülékkel hatékonyabban lehet a lítium-ion akkumulátorokat vizsgálni, elemezni és értékelni.
A legújabb áttöréseknek köszönhetően a digitális mikroszkópok megoldást jelentenek az optikai mikroszkópok általános problémáira, és lehetővé teszik a másodlagos akkumulátorok egyszerű, gyors és pontos megfigyelését – akár még nagymértékű nagyítás mellett is! A legújabb digitális mikroszkópok a képek, a számadatok és az ezekhez kapcsolódó műveletek segítségével sokkal hatékonyabbá teszik a méretellenőrzést, a szennyeződések (idegen részecskék) vizsgálatát, és a jelentéskészítést.
A KEYENCE VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkópjának nagy felbontású HR lencséivel, 4K-s CMOS-képérzékelőjével és világítási- és képfeldolgozó technológiájával kristálytiszta képeket készíthet valamint pontos méretellenőrzést is végezhez, ami lehetővé teszi a másodlagos akkumulátorok hatékonyabb megfigyelését, elemzését és értékelését.
Olvasson tovább, és ismerje meg alkalmazási példáinkon keresztül hogyan használhatók a VHX sorozatú termékek a lítium-ion akkumulátorok megfigyelésére és elemzésére!
Az idegen részecskék összeszámolása (az ISO-szabványnak megfelelő tisztaságvizsgálat)
A VHX sorozat képes az ISO 16232 és a VDA 19 autóipari tisztasági szabványok szerinti tisztaságmérésre. A beépített, kiváló funkcionalitású megvilágítási egység segítségével készített nagy felbontású és nagy mélységélességű képeken automatikus területmérést/részecskeszámlálást is végezhet. Ezeknek a funkcióknak hála az olyan szennyeződések, mint az idegen részecskék, pontosan és egyszerűen megszámolhatók és lemérhetők, akár még egyenetlen felületű céltárgyakon is.
A részletes elemzési üzemmódot használva elég csak rápillantani a teljes membránszűrőt ábrázoló képre, és azonnal kiválaszthatjuk a vizsgálni kívánt szennyeződést. A megfigyelni kívánt pont kiválasztása után a tárgyasztal automatikusan pozícióba áll, lehetővé téve a szennyeződés alapos, nagyított megfigyelését – mindezt ráadásul úgy, hogy még csak új képet sem kell készíteni. Ezzel a funkcióval garantáltan gyorsan és azonosíthatja az idegen részecskéket. A mélységkompozíció és a 3D-s magasságmérés funkciók kombinálásával még az egyenetlen felszínű céltárgyak is alaposan megvizsgálhatók, valamint akár 3D-s méréseknek is alá lehet őket vetni.
Az elválasztókon lévő karcolások megfigyelése
A VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkóp nagy felbontású (HD) feje automatikusan vált az objektívek között, így zökkenőmentesen válthat akár a 20×-os és a 6000×-es nagyítás között is, ráadásul anélkül, hogy bajlódni kellene az objektívcserével. A beépített világító egység (motorizált apertúra) különféle megfigyelési módszereket biztosít, ilyen például a világos látótér, a sötét látótér, a polarizált fény, és a differenciál-interferencia kontraszt (DIC). A terméket használva bármilyen céltárgy automatikusan vizsgálható.
Például az elválasztó felületén lévő finom karcolások a DIC-funkcióval készített nagy felbontású 4K-s képek segítségével könnyen és gyorsan felfedezhetők.
Levált katódanyagok megfigyelése
A VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkóp nagy mélységélességet kínál, így lehetővé teszi, hogy a teljes látómezőt nagy felbontású, kiválóan fókuszált 4K-s képekkel vizsgálja.
A beépített világítóegységet használva a mikroszkóp bármilyen megfigyelési feltétel mellett használható, lehetővé téve a kristálytiszta megfigyelést még akkor is, ha a céltárgyon sok az eltérő fényességű felület.
Továbbá a többszörös megvilágítás funkciónak köszönhetően a több irányból érkező megvilágítási adatok automatikusan, egyetlen gombnyomással rögzíthetők. A megfigyeléshez a felhasználóknak mindössze annyit kell tenniük, hogy kiválasztják a megfigyeléshez legalkalmasabb képeket. Mivel nem csak a kiválasztott kép van eltárolva, ezért a céltárgy vizsgálatához több, különböző világítási viszonyok alatt készült kép közül is választhatunk. Továbbá a korábbi képek készítésekor fennálló viszonyokat is eltárolja a rendszer, majd egy másik, ugyanolyan típusú minta vizsgálata során újrateremti azokat. Ez csökkenti az emberi hiba valószínűségét a megfigyelés és az értékelés során.
Az akkumulátorházak hegesztett részeinek vizsgálata
Hogy mennyire biztonságos egy kockaházas lítium-ion akkumulátor, az nagyban függ a fedő hegesztésének minőségétől.
A VHX sorozatú mikroszkópok képesek az optikai árnyékhatás üzemmódban történő megfigyelésre is, ami a mikroszkopikus nagyságrendű formák esetén kifejezetten előnyös. A többirányú megvilágítással készült képen az elmozdulás (kontraszt) elemzésével a finom felületi egyenetlenségek is észlelhetők, aminek köszönhetően garantáltan megfigyelési célokra kiváló képeket készíthet.
A színadatokat rá lehet vetíteni az optikai árnyékhatás üzemmódban készített képre, így – mivel a különböző felületi egyenetlenségek különböző színnel lesznek ábrázolva (ez a színtérképezés) – a felületi eltérések könnyen vizsgálhatók.
A felületi egyenetlenségek 3D-s mérése és az adott pontok profilmérése akár megfigyelés után is elvégezhető, hála a tárolt képeknek. Ennek köszönhetően nem kell a megfigyeléshez szükséges hosszas beállítási folyamatot újból elvégezni (nem kell ugyanazt a mintát újra a tárgyasztalra tenni, sem a múltbeli megfigyelési pontot újra meghatározni, sem pedig a megfigyelési feltételeket újrateremteni), még akkor sem, ha később további elemzésekre lesz szükség.
A táblázatkezelő szoftverek épp úgy közvetlenül telepíthetők a VHX sorozatú termékekre, mint a számítógépekre. Egy sablont használva a rögzített megfigyelési képeket és a mért értékeket automatikusan be lehet vinne egy táblázatba, ami jelentősen felgyorsítja a jelentéskészítést.
Egy 4K-s mikroszkóp, amely optimalizálja a másodlagos akkumulátorokra koncentráló kutatásfejlesztést, tervezést, és minőségbiztosítást
A VHX sorozatú 4K-s digitális mikroszkóp a 4K-s felbontásnak hála páratlanul tiszta képeket készít, valamint az eszközt használva egyszerű műveletekkel végezhet pontos 2D-s- és 3D-s méréseket is; sőt, a szennyező részecskék mennyiségi számlálására és elemzésére is képes! Ez a mikroszkóp tehát egy olyan sokoldalú eszköz, amely kristálytiszta képek és mennyiségi adatok segítségével megoldást kínál a megfigyelés és az ellenőrzés szokásos problémáira, valamint a munkavégzés hatékonyságát is nagymértékben növeli.
Hatékonyabbá teszi a megfigyelési, elemzési, értékelési és jelentéskészítési munkafolyamatokat, amelyeket így gyorsabban el lehet végezni. Az ádáz verseny miatt a másodlagos akkumulátorok piacán pedig elengedhetetlen a gyors és hatékony munkavégzés.
Ha többet szeretne megtudni a VHX sorozatról, vagy ha bármilyen kérdése van, kattintson az alábbi gombra.
