Az akkumulátor belsejében a litiumionos akkumulátor töltési és kisütési ciklusok alatt játszik fontos szerepet, többnyire grafitból vagy manapság szilíciumból készül. A grafit maradt az anódok többségének első választása, mert jól működik elektrokémiai szempontból és nem kerül túl sokba. A grafitot különlegessé teszi a réteges szerkezete, amely lehetővé teszi a litiumionok szabad mozgását, így zavartalanul működik az akkumulátor. A szilíciumnak hatalmas energia tárolási potenciálja van a grafittal összehasonlítva, de van egy hátránya. A szilícium töltési ciklusok során hajlamos nagy mértékben tágulni, és ez a tágulás lerövidítheti az akkumulátor élettartamát. A kutatók már évek óta foglalkoznak ezzel a problémával. Néhány friss kutatás azt mutatta, hogy a szilícium-oxid bevonat alkalmazása a grafit anódokon segít meghosszabbítani a töltési ciklusok közötti időt, ami az akkumulátorrendszer hosszú távú teljesítményének javulását jelenti.
A használt katódanyag típusa jelentős szerepet játszik annak meghatározásában, hogy egy lítiumion-akkumulátor mennyi energiát tud tárolni, és hogyan viseli a hőt. Két elterjedt opció a piacon jelenleg a lítium-kobalt-oxid (LCO) és a lítium-vas-foszfát (LFP). Míg az LCO kiváló energiatároló képességet biztosít az akkumulátoroknak, problémás lehet magas hőmérsékleten, ami összességében csökkenti biztonságát. Ezzel szemben az LFP anyagok lényegesen biztonságosabbak és jobban bírják a hőt, bár energiasűrűségük nem éri el az LCO szintjét. A jelenlegi akkumulátoripari tendenciák alapján számos gyártó az NMC keverékek felé fordul, amelyek nikkel, mangán és kobalt kombinációját tartalmazzák. Ezek az anyagok úgy tűnik, jó középutat jelentenek a teljesítmény és a biztonság szempontjából. Az ipari adatok szerint a világ összteljesítményének körülbelül 30%-a jelenleg valamilyen NMC összetételű anyagot használ, ami azt mutatja, hogy az vállalatok egyre inkább a teljesítménynövelés és a megbízható hőkezelési tulajdonságok egyensúlyát tartják fontosnak.
A lítiumion-akkumulátorokban lévő elektrolitok tulajdonképpen az ionok anódtól a katód felé történő mozgását lehetővé tevő utat biztosítják, ami elengedhetetlen az akkumulátor jó teljesítményéhez. Történelmileg ezek az akkumulátorok folyékony elektrolitokra támaszkodtak, mivel azok kiválóan vezetik az ionokat. Azonban az utóbbi időben egyre nagyobb aggodalmat vált ki a biztonsági kérdések miatt – túl sok eset volt csatlakozó akkumulátorokkal és akár tüzekkel is, ami arra késztette a kutatókat, hogy szilárd alternatívák kifejlesztése felé mozduljanak el. A szilárd elektrolitok jobb biztonságot kínálnak, mivel nem gyulladnak be könnyen, csökkentve ezáltal az időnként hírbe kerülő, veszélyes akkumulátorcsomag-robbanásokat. A közelmúltban például az Electrochimica Acta folyóiraton megjelent kutatások azt mutatják, hogy a tudósok egyre nagyobb haladást érnek el a szilárd anyagok ionvezető képességének és összességében stabilitásuknak a javításában. Ha ez sikeres lesz, az a következő években biztonságosabb akkumulátorokat jelenthet mindenféle eszközben, okostelefonoktól az elektromos járművekig.
A lítiumion-akkumulátorokban található szeparátoroknak nagy szerepe van az anód és a katód közötti rövidzárlat megakadályozásában, miközben lehetővé teszik az ionok áthaladását. Az elmúlt évek során számos innováció született ezeknek a szeparátoroknak a hatékonyságának és biztonságának növelésére. Olyan anyagok, mint például kerámia bevonatú megoldások, sokkal jobb hőállóságot biztosítanak, ami azt jelenti, hogy nehezebben meghibásodnak magas hőmérsékleten. A Journal of Membrane Science által közzétett eredmények szerint ezek a fejlett szeparátorok valóban csökkentik az akkumulátorcellákon belüli ellenállást. Ez nemcsak biztonságosabb működést eredményez, hanem az akkumulátor egészének működését is hatékonyabbá teszi. Számos tanulmány alátámasztja mindezt, rávilágítva a megfelelő szeparátor-tervezés fontosságára a lítiumionos technológiával működő eszközök hosszabb élettartama szempontjából.
Annak megértése, hogyan működnek a soros és párhuzamos cellaelrendezések, nagyban segíthet a különbségtételben, ha a telepek teljesítményét szeretnénk optimalizálni. Amikor cellákat kapcsolunk sorosan, azok egymás után csatlakoznak, ezzel növelve a kimenő feszültséget, miközben a teljes kapacitás változatlan marad. Ez az elrendezés különösen hasznos olyan alkalmazásokban, ahol magasabb feszültség szükséges, például elektromos autóknál vagy bizonyos napelemes rendszereknél. Másrészről, a párhuzamos kapcsolás fenntartja a feszültségszintet egy cella által produkálthoz hasonlóan, viszont növeli a teljes kapacitást. Ezért ezek az elrendezések kiválóan használhatók például olyan napelemes tárolórendszerekhez, amelyeknek hosszabb ideig kell működniük töltés nélkül. A választás valóban az adott alkalmazás konkrét igényeitől függ.
Képzeljük el a soros kapcsolást úgy, mint amikor autópályákhoz adunk extra sávokat, így egyszerre több autó (vagy feszültség) tud haladni. A párhuzamos elrendezés másképp működik, inkább olyan, mint egy meglévő út szélesítése, hogy nagyobb teherautók (ami a megnövekedett kapacitást jelképezi) is elférjenek rajta. Nézzük például az autókat: a legtöbb elektromos járműgyártó soros vezetékelést választ, mivel az elektromotoroknak éppen ezt a feszültségugrást kell, hogy működni tudjanak. Amikor viszont napenergia-tárolási megoldásokról van szó, ott inkább a párhuzamos elrendezéseket részesítik előnyben, mivel ezek az elrendezések összességében sokkal nagyobb tárolókapacitást biztosítanak, ami teljesen logikus, ha azt szeretnénk, hogy megújuló energiarendszereink valóban elég energiát tudjanak tárolni azokon a felhős napokon is.
A hőmérséklet pontos beállítása nagyon fontos ahhoz, hogy az akkumulátorok jól működjenek és biztonságosak maradjanak. Amikor az akkumulátorok töltési és kisütési ciklusokon mennek keresztül, azok belül melegedni kezdenek. Ha ezt a hőfelhalmozódást nem kezelik, az komolyan befolyásolhatja az akkumulátor teljesítményét hosszú távon, és akár veszélyes helyzeteket is okozhat. Ezért mérnökök különleges rendszereket terveznek az akkumulátorházak belső hűtéséhez. Alapvetően két megközelítése van az akkumulátorok hűtésének. A passzív módszerek a megfelelő vezetőképességű anyagokra vagy a kialakításba épített hatékonyabb hőelvezetési utakra támaszkodnak. Az aktív hűtés ennél tovább megy, mivel tényleges alkatrészeket építenek be, például kis ventilátorokat, amelyek levegőt fújnak az akkumulátorcellák fölött, illetve folyadékkeringtetős rendszereket, amelyek aktívan elvezetik a hőt az érzékeny területekről, ahol problémát okozhat.
A technológiai fejlesztések jelentősen javították a hőkezelési megoldások hatékonyságát, és ezt a gyakorlatban is jól látjuk. Nézzük például az elektromos járműveket – sok esetben már kifinomult hűtőrendszerekkel szerelik fel őket közvetlenül az akkumulátorblokkokban. Ezek a rendszerek biztosítják a zavartalan működést még hőmérséklet-ingadozások esetén is, ami hozzájárul az akkumulátorok élettartamának meghosszabbításához a cseréig. Emellett megelőzik a veszélyes termikus visszafutási helyzetek kialakulását. Különféle tanulmányok és terepi tesztek szerint ezek a hűtési technológiák valóban jelentős különbséget okoznak a teljesítményalapú akkumulátorok esetében. Az akkumulátorblokkok végig védve maradnak és a teljes életciklusuk alatt várt módon működnek, váratlan meghibásodások vagy kapacitásvesztések nélkül.
A telepkezelő rendszerek, más néven BMS nagyon fontosak a telepcsomagok biztonságának és megfelelő működésének fenntartásában, mivel folyamatosan ellenőrzik a feszültségszinteket és a telepek hőmérsékletét. Megfelelő monitorozás nélkül olyan problémák léphetnek fel, mint a túlmelegedés vagy szokatlan feszültségugrások, amelyek egyik fél sem kíván, ha telepcsomagokról van szó. A legtöbb BMS beállítás rendelkezik beépített riasztási pontokkal a hőmérsékleti és feszültségértékekhez. Amikor ezek az értékek túllépik a normál tartományt, a rendszer beindítja a biztonsági intézkedéseket a lehetséges meghibásodások vagy veszélyes helyzetek megelőzésére. Vegyük példának a lítiumion-akkumulátorokat: sok gyártó beállítja hűtési mechanizmusait olyan 60 Celsius-fokos hőmérséklet elérésére. Egy nemrégiben a Kaliforniai Egyetem által készített tanulmány szerint a megfelelő BMS-figyelés valójában körülbelül 30%-kal meghosszabbítja a telepek élettartamát, miközben biztonságosabbá teszi azok használatát. Ezeknek a fő paramétereknek az ellenőrzése biztosítja, hogy a napelemmel működő telepek hosszabb ideig működjenek jobb teljesítménnyel, ami a megújuló energiafelhasználás területén különösen fontos.
Az akkumulátorkezelő rendszerek (BMS) kulcsfontosságú szerepet játszanak annak biztosításában, hogy minden apró cella a napelemes akkumulátorcsomagokon belül megfelelően együttműködjön, elsősorban a kisütés és újratöltés pontosabb szabályozásán keresztül. Amikor az energia egyenletesen oszlik el az akkumulátorcsomagon belül, ezek a rendszerek valóban jelentősen befolyásolják, hogy mennyi napelemes energia tárolható ténylegesen. Egyes tanulmányok szerint egy megfelelően beállított BMS rendszer akár körülbelül 15 százalékkal is növelheti a tárolási hatékonyságot. Ennek a valós világban két fő előnye van: jobb teljesítmény az egész rendszerben, valamint hosszabb élettartamú akkumulátorok is. Akár otthoni napelemes rendszer telepítéséről, akár nagyobb létesítményekről van szó, egy megbízható BMS beszerelése minden különbséget megtesz. Enélkül az emberek túl gyakran kénytelenek akkumulátorokat cserélni, ahelyett, hogy évekig tartó, megbízható teljesítményt élveznének a napelemes rendszerüktől.
A bátria kémiai összetétele valóban nagyban befolyásolja a működés minőségét, különösen a napenergia-rendszerek esetében. A szokásos lítium-ion akkumulátorok általában lítium-kobalt-oxidot vagy lítium-mangán-oxid anyagot tartalmaznak bennük. A napenergiához kifejlesztett akkumulátorcsomagok azonban általában lítium-vas-foszfát (LiFePO4) típusú anyagot használnak, mivel ez az anyag biztonságosabb és hosszabb élettartamot biztosít. A kémiai összetétel különbsége miatt ezek az akkumulátorok sokkal több töltési és kisütési ciklust bírnak el, mint a hagyományos lítium-ion verziók. Tanulmányok szerint a LiFePO4 kiterjedtebb ciklusélettartamot és jobb hőállóságot is biztosít, ami különösen fontos a napenergia tároló rendszerek esetében, hiszen ezeket napközben rendszeresen használják. Mindez összességében javult teljesítményt és hosszabb élettartamot eredményez, ezért nem meglepő, hogy annyi otthoni felhasználó kedveli a LiFePO4 technológiát a saját napelemes rendszereikhez.
Amikor otthoni napelemes rendszerekhez szerelünk össze akkumulátorcsomagokat, több fontos szempontot is figyelembe kell venni ahhoz, hogy hosszú távon jól működjenek. Az emberek elsősorban az akkumulátor élettartamára, töltési sebességre és az általa leadott teljesítményre figyelnek. Ezek az elemek mind befolyásolják, mennyire lesz az akkumulátor hatékony és tartós a valós alkalmazás során. A jó tervezésnek alkalmazkodnia kell a háztartás energiaszükségletének ingadozásához anélkül, hogy veszítene a hatékonyságából. Vegyük példának a Tesla Powerwall termékét – ez a termék népszerűvé vált az otthon tulajdonosok körében, akik megbízható energiatárolási megoldásokat keresnek. Ez az eszköz a nappal termelt felesleges napenergiát tárolja, majd akkor juttatja vissza a házba, amikor az áram ára megemelkedik, vagy amikor a hálózati hozzáférés korlátozott. Az ilyen valós alkalmazási példák segítenek megérteni, miért olyan fontosak bizonyos tervezési döntések az akkumulátor élettartamának meghosszabbításában és a teljes napelemes rendszer teljesítményének javításában.
A világban, amely az akkumulátorokra jellemző, jelentős változások zajlanak a szilícium anódok területén megjelent új fejlesztéseknek köszönhetően. Ezek sokkal jobb tárolókapacitást kínálnak a hagyományos grafit anódokhoz képest. A szilícium elméletileg körülbelül tízszer annyi lítiumiont képes tárolni, mint a grafit, ami azt jelenti, hogy az akkumulátorok összességében nagyobb teljesítményt nyújthatnak. A fogyasztási cikkeket gyártó vállalatok és az elektromos járművekkel foglalkozó cégek máris áttérnek a szilícium alapú anódtechnológiára, mivel termékeik hosszabb ideig működnek töltés között, és jobb teljesítményt is nyújtanak. A Journal of Power Sources által közz tett tanulmány szerint ezek a fejlesztések valójában körülbelül 40 százalékkal növelik a kapacitást, így kiválóan használhatók olyan eszközök esetén, amelyek nagy mennyiségű energiát igényelnek. Nem csupán a telefonszetteinket és autóinkat működtető elemek terén, hanem a napelemes akkumulátorrendszerek fejlesztését is elősegíti ez a technológia. Egyre több háztartás kezd áttérni ezekre a napenergia-tárolási megoldásokra, mivel azok megfizethetővé válnak a nappali órákban gyűjtött napfény tárolására, amely így felhasználható éjszaka vagy rossz idő esetén.
A szilárd elektrolitok jelentős áttörést jelentenek a hagyományos folyékony elektrolitokhoz képest, mivel javítják az akkumulátorok biztonságát és teljesítményét. Fő előnyük? Nincs több szivárgás! Emellett nem jellemző rájuk az a veszélyes termikus felfutás, ami számos jelenlegi akkumulátor-tervezésre jellemző. Ez az új megközelítés csökkenti a gyártók függését a gyúlékony folyadékoktól, így sokkal stabilabb akkumulátorcsomagokat eredményez. A Journal of Materials Chemistry A folyóiratból származó kutatások azt mutatják, hogy a szilárd elektrolitok hosszabb élettartamúak, és jobban bírják a hőterhelést – ez pedig különösen fontos a telefonokban, laptopokban és főként az elektromos autókban használt akkumulátorok esetében. Ami még inkább kiemeli őket, az az, hogy extrém körülmények között is képesek működni tönkremenetel nélkül. Egyre inkább megjelennek már háztartási napelemes tárolórendszerekben is, ahol a megbízhatóság elengedhetetlen, különösen, ha napi szinten támaszkodunk a legújabb litium-ion technológiára az energiaellátásban.
EN