Litiumioniakun toimintaperiaate

Lyijyakun toiminta perustuu sulfaatti- ja vetyionien siirtymiseen elektrolyytin läpi akun elektrodeille samalla kun elektronit kiertävät elektrodilta toiselle ulkoisen kuorman kautta. Vastaavasti litium-ioniakku perustuu positiivisten litiumionien siirtymiseen akun elektrodilta toiselle. Li-ioni -akun rakenne on varsinkin elektrodien osalta hyvin erilainen kuin lyijyakulla. Kuvassa 1 on esitetty kaaviokuva yhden litiumionikennon periaatteesta.

Li-ion
Kuva 1: Litiumioniakun toimintaperiaate.

Ladattavia litiumakkuja yritettiin 70- ja 80-luvuilla kehittää niin, että akun anodi oli metallista litiumia. Tällaisen akun energiatiheys (Wh/kg) on erittäin suuri, mutta metallisen litiumin reaktioherkkyys estää käytännössä sen soveltamisen anodimateriaalina. Li-ioni -akussa anodi on grafiittia ja katodina käytetään esimerkiksi kobolttipohjaista metallioksidia (LiCoO2). Litium on elektrodeissa varastoituneena kiderakenteen muodostamien kerrosten väleihin.

Akkua ladattaessa katodilla olevat litiumatomit luovuttavat elektronin ja näin muodostuvat positiiviset litiumionit pääsevät kulkemaan grafiittianodille elektrolyytin läpi. Varausta purettaessa elektronit ja litiumionit kulkevat päinvastaisiin suuntiin.

Elektrodien välissä on erotin, joka estää litiumin kulkeutumisen anodin ja katodin välillä, mutta litiumionit pääsevät kulkemaan sen läpi. Erotin on kuvassa 1 piirretty katkoviivana, mutta on itseasiassa elektrodien välissä oleva huokoinen polymeerikerros (esimerkiksi polyeteeniä), joka pitää sisällään nestemäisen elektrolyytin. Erotin voi myös muodostua useammasta kerroksesta. Ohut erotinkerros mahdollistaa sen, että koko akku voidaan valmistaa ohueksi. Erottimen huokoskoko on sellainen, että elektrolyyttiä on riittävästi, mutta toisaalta huokoset sulavat umpeen kennon ylikuumentuessa. Erotin materiaalin sulaminen estää ionien siirtymisen.

Erotin päästää kuitenkin aina pienen vuotovirran kulkemaan, joten Li-ioni –akkujen varaus hiljalleen heikkenee itsestään. Mikäli erotin rikkoutuu ja elektrodit joutuvat keskenään oikosulkuun, kasvaa kennon lämpötila niin suureksi, että katodimateriaalina käytetystä metallioksidista alkaa vapautua happea ja akku voi syttyä palamaan. Tämä on ongelmallinen tilanne, koska tällöin palamiseen tarvittavat lämpö ja happi syntyvät samasta lähteestä, jolloin palavan akun sammuttaminen ei onnistu tukahduttamalla.

Ensimmäisillä latauskerroilla anodin pintaan saostuu elektrolyytistä ohut kerros, joka koostuu mm. litiumista ja erilaisista elektrolyytin epäpuhtauksista, joita saattaa irrota esimerkiksi katodimetallista. Tämä kerros toimii samaan tapaan kuin erotinkin, mutta tämä kerros on kennon toiminnan kannalta keskeinen, koska se estää myöhemmin litiumin kertymisen anodin pintaan, mikä kuluttaisi kennossa olevaa litiumia. Kerroksen liikamuodostus estetään erilaisilla elektrolyytin lisäaineilla.

Comments are closed.

Post Navigation