Energiával töltve

A lítium-ionos akkumulátorok legnagyobb előnye a korábbi, más típusú akkumulátorokkal szemben – amellett, hogy kevésbé sújtja őket a "memóriaeffektus" (vagyis nem kell teljesen lemeríteni őket töltés előtt) – , a magas energiasűrűségükben rejlik. Azon tulajdonságukban, hogy a kisebb tömegű és méretű akkumulátorok több energiát tudnak tárolni. De a bennük rejlő veszélyt is épp ez a tulajdonságuk adja…

A felnőtt fejjel, 40 éves koromban kezdett egyetemi tanulmányaim során a Környezettan Bsc sikeres elvégzését követően 2017 nyarán megajándékoztam magam egy tükörreflexes fényképezőgéppel. Akkortájt kezdtem fotózgatni, és ez a masina egy új világot nyitott számomra. Hogy ne fogyjak ki az energiából, vettem hozzá egy tartalék akkumulátort is.

Nemrég azonban észrevettem, hogy az egyik akksi felpúposodott. Benne volt a gépben, alig bírtuk kiszedni belőle. Eljött az idő, hogy vásároljak egy új akkumulátort.

Akkumulátorok

A neten a lehetőségeket böngészve, hát finoman fogalmazva, sokkot kaptam. Emlékeim szerint 2017-ben 8000Ft-ba került az extra gyári akksi a fényképezőhöz. Most pedig 27000Ft-ért kínálták a webáruházak. Te jó ég! Nincs valami más megoldás? Felhívtam egy fotográfus ismerősömet, aki meggyőzött arról, hogy sem biztonsági, sem tartóssági és készülékhasználati szempontból nem érdemes „olcsó” megoldásokkal kísérletezni.

Lítium-ionos akkumulátor… Hogy is működik?

Egy lítium-ion akkumulátor – a felépítését tekintve – valójában olyan, mint egy szendvics. Képzeljük el, hogy a zsömle két fele a két elektróda. Az egyik, mondjuk a zsömle teteje a pozitív (katód), a másik, a zsömle alja a negatív (anód).

A szendvicsbe tölteléket is teszünk (mindkét zsömlefelet megkenjük vele), ez lesz az elektrolit, mely jellemzően egy folyékony anyag, ebben úszkálnak a lítium-ionok. Ők a töltéshordozók. A szendvicsbe szükségünk van még egy nagy salátalevélre. Ez lesz a szeparátor, mely megakadályozza, hogy a zsömle két fele – vagyis a két elektróda – összeérjen, de a lítium-ionokat átengedi, hogy azok szabadon úszkálhassanak az elektrolitban.

Ha a működését is meg szeretnénk érteni, akkor a szendvics-analógiától térjünk át egy mobiltelefonra. Amikor a telefont töltjük, akkor a lítium-ionok a katódról átvándorolnak az anódra. Ekkor töltődik fel az akkumulátor energiával. Amikor a telefont használjuk, akkor az ionok visszafelé mozognak; az anódtól a katód felé. Eközben energiát termelnek; ezzel az energiával működik a telefon.

Az éremnek mindig két oldala van

A lítium-ionos akkumulátor valójában egy gyűjtőfogalom, mely nagyon sokféle akkumulátort foglal magába. A legtöbb kereskedelmi akkumulátor anódja grafitból készül (kevés kivételt képeznek a lítium-titanát anódok). A legjelentősebb különbségek általában a katódanyag összetételében vannak. Az elektrolit összetétele is változhat, de a katódanyag megválasztása az a tényező, amely alapvetően meghatározza az akkumulátor olyan kulcsfontosságú jellemzőit, mint a kapacitás, a névleges feszültség, az energiasűrűség, a teljesítménysűrűség, az élettartam, a biztonság és a költség.

Pillanatnyilag nincsen minden szempontból tökéletes akkumulátor. Ezen jellemzők között kell a felhasználás függvényében a lehető legjobb összhatást elérniük a gyártóknak. Például a magasabb nikkeltartalom növeli az energiasűrűséget, így az ilyen akkumulátorral rendelkező jármű hosszabb hatótávon üzemelhet. De ugyanezen jellemző a másik oldalon csökkenti a termikus stabilitást és a tartósságot.

Az anóddal szemben, mely a legtöbb akkumulátor esetében grafitból készül, a katód sokkal változatosabb összetételű lehet a tervezett felhasználástól függően. A mobiltelefonokban, laptopokban például jellemzően lítium-kobalt-oxidból, az e-biciklik esetében, lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxidból, a standard elektromos járművek esetében pedig általában lítium-vas-foszfátból áll.

De miért púposodott fel?

Az akkumulátor felpúposodását az okozza, ha valamilyen oknál fogva az elektronok nem tudnak az anód grafitszerkezetébe befurakodni, hanem csak a felületén ragadnak meg egyenetlenül (vagyis nem tudnak beépülni a grafit kristályrácsába). Az anód felületén apró faszerű képződmények, ún. lítiumdendritek jelennek meg, és növekedni kezdenek.

Miért baj ez?

Azért, mert ha akkorára nőnek, hogy átszakítják a szeparátort és elérik a katódot (vagyis a két szendvicsfél „összekapcsolódik”), akkor rövidzárlat keletkezik az akkumulátorban. A rövidzárlat pedig azért veszélyes, mert belső hőfejlődést okoz, ami tovább gyorsíthatja a dendritnövekedést. Ez ún. termikus megfutáshoz, majd tűzhöz vezethet.

Valamilyen oknál fogva

A kulcs valóban ebben rejlik: mi okozhatja az akkumulátor meghibásodását?  

Az akkumulátor cellái alapvetően három fő okból gyulladhatnak ki: mechanikai hatásra (pl. a mobiltelefon vagy az e-bicikli akkumulátorának leejtése, zúzódása), az elektromos rendszer külső vagy magának az akkumulátornak a belső rövidzárlata miatt (ez utóbbit láttuk fentebb, a dendritképződés eredményeként), vagy hőhatásra.  A készülékkel nem kompatibilis vagy hibás töltő használata is árthat az akkumulátornak, ha például nem a megfelelő feszültségen, vagy a kapacitásán túl töltjük a készülékünket

A termikus megfutás egy olyan komplex folyamat, amelynek a megértése nagyon fontos a kockázatok megfelelő értékeléséhez. A lítium-ion akkumulátorok hőmérsékletének 20%-os növekedése a benne zajló kémiai reakciók sokkal gyorsabb lezajlásához vezet, ami túlzott hőt szabadít fel. Ez a többlethő megnöveli az akkumulátor hőmérsékletét, ami viszont felgyorsítja a reakciókat. A megnövekedett akkumulátor-hőmérséklet növeli a reakciósebességet, ami egy termikus megfutásnak nevezett folyamatot hoz létre. Ilyenkor az akkumulátor hőmérséklete egy másodperc alatt 100°C-ról 1000°C-ra emelkedhet. A kiáramló gyúlékony elektrolitgőzök és a magas hőmérséklet miatt tűz keletkezik, amely átterjedhet a szomszédos cellákra is.

 

Miért különösen veszélyesek a lítium-ion akkumulátorok okozta tüzek?

A kritikusan magas belső hőmérsékletet elérő katód fémoxidjainak bomlása oxigént fejleszt, és ez az a jellemző, ami különösen veszélyessé teszi a lítium-ion akkumulátorok tűzeseteit: ugyanis a tűznek van saját oxigénforrása, így akkor is tovább tud égni, ha a külső oxigénellátás korlátozott. Ez a jellemző elhúzódóvá és sokkal nehezebben olthatóvá teszi az ilyen tüzeket.

Szintén fontos tudni, hogy az elektrolit és más szerves komponensek bomlása, valamint az elektródaanyagok kémiai reakciói során nagy mennyiségű veszélyes gáz képződhet. Ezek közé tartozik a hidrogén-fluorid, a szén-monoxid és szén-dioxid, valamint egyes szénhidrogének (pl. metán és etilén).

Jobb tudni, mint megijedni!

Ennyi veszély és kockázat hallatán könnyen megijedhetünk, de ne tegyük! Nem kell most azonnal az összes akkumulátortól megszabadulnunk.

Egyrészt minden ránk leselkedő veszélyforrással összevetve ma még nagyon csekély a tényleges balesetek száma. Köszönhető ez annak is, hogy azok az akkumulátorok, melyeket ma használunk, már rendelkeznek ún. BMS (battery management system)-technológiával, vagyis egyfajta belső diagnosztikai és veszélyelhárító rendszerrel. Az akkumulátorokba épített hardver- és szoftvermegoldások ugyanis képesek az akkumulátor fontos jellemzőinek, például a töltöttségi állapotnak, a belső nyomásnak és az akkumulátorban lévő cellák hőmérsékletének az ellenőrzésére. Amolyan akkumulátorterapeuták: a tünetek alapján diagnosztizálják és kezelik az esetlegesen fellépő hibákat, és önálló döntéseket hoznak az akkumulátorok kikapcsolásáról, vagy a terheléselosztás megváltoztatásáról, hogy az egyes akkumulátorcellák ne melegedjenek fel túlságosan.

Másrészt, ha egy adott készülékhez a gyártó által ajánlott töltőt használjuk, akkor ők ketten kiválóan együttműködnek, és egyeztetik az ideális töltési körülményeket. Első lépésben a telefon jelzi a töltőnek, hogy milyen töltési szabványokat és paramétereket (feszültség, áramerősség) támogat. A töltő hasonlóképpen tájékoztatja a telefont a saját képességeiről. Ezt követően a két eszköz megállapodik a használandó töltési módról. Ha mindkettő támogat egy közös gyorstöltési szabványt, és a telefonnak szüksége van a gyorsabb töltésre (pl. alacsony az akkumulátor töltöttsége), akkor a gyorstöltési módot választják. Ha nincs közös gyorstöltési szabvány, vagy a telefon nem kéri a gyorstöltést (pl. mert már majdnem teljesen fel van töltve, vagy a felhasználó letiltotta a gyorstöltési funkció használatát), akkor a normál 5V-os töltésen maradnak.

Harmadrészt az akkumulátortechnológia is napról napra fejlődik. A kutatók folyamatosan keresik az egyre jobb és biztonságosabb megoldásokat: például olyan katódok kifejlesztésén dolgoznak, amelyek lebomláskor kevesebb oxigént bocsátanak ki; nem gyúlékony elektrolitlehetőségeket kutatnak, valamint olyan szeparátorok fejlesztésén munkálkodnak, amelyek olvadás nélkül bírják a magas hőmérsékletet.

Így töltsünk helyesen!

Persze, addig is, amíg ezeket az új lehetőségeket meg nem találják a szakemberek, mi magunk is segíthetjük akkumulátorterapeutáinkat (vagyis a beépített BMS-t), ha megfogadjuk az alábbi tanácsokat!

(i)  Megbízható gyártótól és kereskedőtől vásároljunk töltőt és ha cserélhető, akkor (tartalék) akkumulátort is.

(ii) Kövessük a gyártó útmutatóját arra vonatkozóan, hogy milyen töltőt javasol az adott készülékhez, akkumulátorhoz.

(iii) Ha a töltő, az akkumulátor vagy az azt tartalmazó készülék szokatlanul melegszik, netán égett szagot ad vagy füstöl a töltés során, ne töltsük tovább! Azonnal válasszuk le az elektromos hálózatról! A töltő és(/vagy) az akkumulátor ebben az esetben meghibásodott és nem biztonságos a további használata. A készüléket (pl. mobiltelefont) vigyük szervizbe.

(iv) Ha az akkumulátor felpúposodott, ez is az életútja végét jelzi. Veszélyes a további használata.

(v) Ne töltsünk extrém meleg vagy hideg körülmények között. Általában 0-40°C között javasolják a töltést, ezen tartományon kívül nemcsak létezni, de töltődni sem nagyon szeretnek a lítium-ionos akkumulátorok. Ha rendszeresen extrém hőhatásoknak tesszük ki őket, az hosszú távon rontja a hatékonyságukat, rövidíti az élettartamukat és meghibásodásokhoz vezethet.

(vi) Akkor vigyázunk legjobban az akkumulátorainkra, ha a töltöttségi szintjüket 20-80% között tartjuk. Sem a teljes feltöltés, sem a teljes lemerítés nem tesz jót nekik hosszú távon.

(vii) Ne hagyjuk felügyelet nélkül az eszközeink töltését. Bár a mobiltelefont talán hozzám hasonlóan sokan éjszaka töltik, ha megoldható, inkább nappal és felügyelet mellett töltsünk minden lítium-ionos akkumulátort.

(viii) Ha egy akkumulátort nem használunk – pl. az e-biciklinket télen a garázsban parkoltatjuk – , akkor az akkumulátort mindenképpen vegyük ki belőle (vagy le róla), és tároljuk száraz helyen, ahol a hőmérséklet 5-20°C között van. Időnként pedig ellenőrizzük a töltöttségét, és ne hagyjuk lemerülni! Tartsuk a töltöttségét 50-80% között.

(ix) Ha a készülékünk lehetőséget ad rá, a „Beállítások” menüpontban magunk is választhatunk az akkumulátortöltési, -védelmi lehetőségek közül. Például beállíthatjuk, hogy a telefonunkat maximum 80%-ig töltse fel a töltő, vagy ne engedélyezze a gyorstöltést. Ezeket az extra törődéseket hosszabb élettartammal hálálja meg az akkumulátor.

Ha mégis kigyulladna…

Fontos tudnunk, hogy a tűz agresszív, gyors terjedésű lehet. Az akkumulátor vagy az eszköz nagyon forró lehet (akár az 1000°C-ot is elérheti), így semmiképp nem szabad megérinteni. Ha a tűz kicsi, és úgy döntünk, hogy megpróbáljuk eloltani, akkor a legjobb, ha ezt speciális, lítium-ionos eszköz okozta tűzre gyártott oltóeszközzel tesszük. Ezt azonban valószínűleg kevesen tartanak otthon. Gondolhatunk a vízre is, mint klasszikus tűzoltóra. Ki kell azonban hangsúlyozni, hogy nagy mennyiségű vízre van szükség! Ez egy mobiltelefonnál vagy számítógépnél legalább egy nagy vödör, vagy folyamatos vízellátást adó slag. A kevés víz az ilyen tüzeknél csak „olaj a tűzre”. A legfontosabb a kigyulladó készülék hűtése, hogy a termikus megfutást megakadályozzuk.

Azt sem szabad elfelejteni, hogy ha sikerrel járunk az oltásban, ezek az akkumulátorok később újragyulladhatnak. Ha lehűlt a sikeres oltást eredményeként a készülék (akkumulátor), vigyük a szabadba, nem gyulladó, biztonságos felületre, és hívjunk segítséget!

Ha a tűz nagy, vagy ha nem tudunk biztonságosan cselekedni, ne kockáztassunk! Hagyjuk el a helyszínt, és hívjuk a tűzoltókat!

Biztonság és környezettudatosság

Ha átlátjuk a lítium-ionos akkumulátoraink működési mechanizmusát, könnyen megértjük azt is, hogy éppen azok a tényezők okozzák a baleseti kockázatokat, melyek az akkumulátorok élettartamát is rövidítik: a mechanikai sérülés, a hőhatásnak való kitétel, valamint a helytelen töltési gyakorlat. Vagyis a biztonság és a környezettudatosság kéz a kézben járnak. Duplán megéri tehát tudatosan használni, és főként helyesen tölteni a lítium-ionos akkumulátorokkal működő használati tárgyainkat.

Ha pedig akár az akkumulátor, akár a töltő vagy maga az elektronikai eszköz eléri életútja végét, gondoskodjunk arról, hogy a megfelelő e-hulladék-gyűjtőpontra kerüljön. Elvihetjük például őket egy elektronikai áruház gyűjtőpontjára (általában az ügyfélszolgálaton adhatók le), vagy egy e-hulladékokat is átvevő hulladékudvarba.

Én magam is így tettem a felpúposodott fényképezőgép-akkumulátorommal. És megvettem helyette a drágább, gyári akkumulátort. Fő a biztonság! És, persze, a környezetvédelem.

 

_________________________________________________________________

Tudtad-e?[1]

A lítium-ionos akkumulátorok ma már életünk megkerülhetetlen részei. Az e-mobilitás keretében egyre több jármű (roller, bicikli, autó) is igényli ezeket az energiatárolókat (és -forrásokat), így a jövőben a számuk jelentősen nőni fog. A lítium-ion akkumulátorok iránti kereslet várhatóan 500%-kal fog nőni 2050-ig.

• Becslések szerint 1 kWh akkumulátorkapacitás előállítása körülbelül 40-60 kg CO₂​-egyenérték kibocsátásával jár, ha a teljes életciklust vizsgáljuk. Ez azt jelenti, hogy egy átlagos, 100 kWh kapacitású elektromos jármű akkumulátora akár 4-6 tonna CO₂​-kibocsátásért is felelős lehet, még mielőtt az autó egyetlen kilométert is megtett volna. 
• Egy elektromos jármű teljes életciklusra vetített szénlábnyomának akár 40%-át is kiteheti maga az akkumulátorgyártás. 
• A nyersanyagok bányászata önmagában a teljes akkumulátorral kapcsolatos CO₂​-kibocsátás mintegy 15%-áért felelős. Különösen energiaigényes a lítium, kobalt és nikkel kitermelése és finomítása. 
• A katódanyagok gyártása, különösen a magas nikkeltartalmú katódoké, rendkívül energiaigényes, és az akkumulátorgyártás teljes CO₂​-kibocsátásának 30-40%-át is adhatja. 
• Az energiaforrás, amelyet az akkumulátorgyárakban használnak, döntő fontosságú. Ha a gyártás szénenergiára támaszkodik, a CO₂​-kibocsátás akár 200 kg/kWh kapacitás is lehet. Ezzel szemben, ha a gyárak megújuló energiaforrásokat (pl. víz-, nap-, szélenergia) használnak, a kibocsátás 50-70%-kal csökkenthető. 
• A lítiumkitermelés rendkívül vízigényes. Egy tonna lítium-karbonát előállításához akár 50 000-100 000 liter vízre is szükség lehet. Ez különösen problémás a száraz, vízhiányos régiókban, mint például a dél-amerikai "lítium-háromszög" (Chile, Argentína, Bolívia), ahol a lítiumbányászat komoly terhet ró a helyi vízkészletekre és ökoszisztémákra. Chilében, az Atacama-sivatagban a lítiumbányászat a régió rendelkezésre álló édesvízkészletének akár 65%-át is felhasználhatja. 
• Egy átlagos elektromos jármű akkumulátorának gyártásához akár 250 kg különböző ásványi nyersanyagra is szükség lehet. 
• A nikkel- és kobaltbányászat felelős az erdőirtás 10-20%-áért a főbb bányászati régiókban. 
• 2030-ra várhatóan több mint 15 millió tonna használt lítium-ion akkumulátor halmozódik fel. 
• A lítium-ion akkumulátorok újrafeldolgozási hatékonysága jelenleg világszerte mindössze 5-10%.
• A lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása 30-50%-kal csökkentheti a CO₂-kibocsátást az új anyagok bányászatához képest. 
• Az újrahasznosítás 2030-ra 25%-kal csökkentheti az új lítiumbányászat iránti igényt.

 

Ezek a tényezők együttesen mutatják, hogy bár a lítium-ion akkumulátorok használati fázisukban (pl. elektromos járművekben) hozzájárulhatnak a helyi kibocsátások csökkentéséhez, gyártásuk jelentős környezeti lábnyommal rendelkezik. Hulladékhasznosításuk pedig jelentős kihívást jelent a jövőre nézve.

 

---

[1] Forrás: https://patentpc.com/blog/the-environmental-impact-of-battery-production-carbon-emissions-and-sustainability-stats