Liitium{0}}ioonakuelemendid: määratlused, klassifikatsioon, tööpõhimõtted ja rakendused energia salvestamisel ja fotogalvaanikal

Uute energiasalvestite, fotogalvaanilise energiatootmise, elektrisõidukite ja kaasaskantavate elektroonikaseadmete kiire kasutuselevõtu taustal on liitiumakudest saanud elektrokeemilise energia salvestamise kõige laialdasemalt kasutatav vahend. Kuigi seda mõistet kasutatakse kõnekeeles sageli mitmesuguste liitium-põhiste toodete puhul, hõlmavad liitiumpatareid tehnilisest vaatenurgast kahte erinevat kategooriat-primaarsed liitiumakud ja liitium{4}}ioonakud{5}}, mis erinevad oluliselt jõudluse, omaduste ja rakendusstsenaariumide poolest. Liitium-ioonakud, mida eristavad nende võime läbida korduvaid laadimis-tühjenemistsükleid ja kõrge energiatihedus, on kujunenud peamiseks valikuks nii tarbija- kui ka tööstusrakendustes.

 

Kitsas tähenduses viitavad "Flash Battery" liitiumakud primaarsetele liitiumakudele-mitte-laetavatele ühekordselt kasutatavatele{2}}elementidele. Nende struktuuris kasutatakse tavaliselt elektroodide jaoks liitiummetalli või liitiumisulameid, mis on ühendatud mitte---elektrolüüdi vesilahusega. Tavalised primaarsed liitiumakud kasutavad katoodina mangaandioksiidi ja anoodina puhast liitiummetalli, mille tulemuseks on kõrge keemiline reaktsioonivõime. Kasutades primaarse liitiumkeemia kõrgeid energiaomadusi, sobivad need akud konkreetsete rakenduste jaoks, mis nõuavad ühekordselt kasutatavate stsenaariumide korral täpset toiteallikat; nende materjaliomaduste tõttu ei saa neid aga taaskasutada.

 

 

Metallilise liitiumi kõrge reaktsioonivõimega keemiline olemus on olnud peamine tegur, mis piirab traditsiooniliste primaarsete liitiumakude laialdast kasutuselevõttu. Puhas metalliline liitium seab tootmise, ladustamistingimuste ja töökeskkonna suhtes äärmiselt ranged nõuded; see reageerib kergesti õhu ja niiskusega, tekitades ohutusriske, mis on pikka aega takistanud{1}}ühekordselt kasutatavate liitiumakude ulatuslikku industrialiseerimist. Seevastu taaslaetavad liitium-ioonakuelemendid on need tehnoloogilised kitsaskohad põhimõtteliselt ületanud, võimaldades taaskasutatavust ja juhatades sisse liitium-põhise energia uue ajastu.

 

Praegu laialdaselt kasutusel olevad laetavad liitiumakud esindavad tööstuse arenenud standardit. Need toimivad laadimis- ja tühjenemistsüklite ajal katoodi ja anoodi vahelise liitiumioonide interkalatsiooni ja de{1}}interkalatsiooni (migratsiooni) kaudu; kuna puhas metalliline liitium reaktsioonis ei osale, on ohutus ja stabiilsus oluliselt suurenenud. Need laetavad akud pakuvad energiat paljudele rakendustele, alates olmeelektroonikast ja tööstusseadmetest kuni uute energiasõidukiteni.

 

Aastakümnetepikkune tehnoloogiline areng on viinud liitium-ioonakude jaoks mitmesuguste tavapäraste katoodmaterjalide süsteemide väljatöötamiseni, mis vastavad erinevatele töövajadustele. Eelkõige on liitiumraudfosfaat (LFP) muutunud tööstusliku energia salvestamise põhimaterjaliks. Levinud katoodmaterjalide hulka kuuluvad liitiumkoobaltoksiid, liitiummangaanoksiid, liitiumnikkeloksiid ja liitiumraudfosfaat; materjali valik määrab aku ohutuse, tsükli eluea ja energiatiheduse. Tänu suurepärasele ohutusele ja erakordselt pikale tsüklieale on LFP elemendid muutunud eelistatud valikuks energia salvestamiseks ja liikumapanevaks jõuks.

 

Liitium-ioonakud jagunevad elektrolüüdi oleku järgi vedelateks-elektrolüütide ja polümeer{2}}elektrolüütide tüüpideks. Vedel-elektrolüüdi akud kasutavad vedelat elektrolüüti; neil on arenenud tehnoloogia ja hallatavad kulud, mistõttu on need uute energiasõidukite akude jaoks tavapärane valik. Polümeer-elektrolüütpatareid kasutavad kuiv- või geel-tahket polümeerelektrolüüti, mis pakub õhemat, kergemat vormi ja suuremat ohutust. LFP elemendid ühendavad liitiumraudfosfaadi keemia küpsete tootmisprotsessidega, tasakaalustades jõudlust ja kulusid, et sobida erinevate suure võimsusega-rakendustega.

 

1992. aastal turule toodud liitium-ioonakud-, mille eelised on nagu kõrge energiatihedus, mäluefekti puudumine ja madal isetühjenemismäär-, on täielikult asendanud traditsioonilised plii-happeakud ja varajase{6}}põlvkonna primaarliitiumakud. Võrreldes tavaliste akudega toetab see korduvaid -tühjenemistsükleid ja pakub märkimisväärselt pikemat kasutusiga, mistõttu sobib see stsenaariumide jaoks, mis nõuavad pikaajalist ja pidevat tööd. Akuenergia salvestamise tööstus on saavutanud energiasalvestavate elektrijaamade ulatusliku{11}}rutiinse kasutuselevõtu.