08.05.2023 by Aileen Sammler
Muovien merkitys akkujen energiavarastointitoiminnolle
Muoveja on käytetty laajalti autoteollisuudessa jo vuosikymmeniä, ja niitä käytetään yhä enemmän myös akuissa: Niitä on käytetty koteloissa, kaapeleissa ja liittimissä alusta alkaen, mutta niiden lisääntyneen käytön myötä energiavarastoinnissa ne ovat nyt ratkaiseva tekijä sähköisen liikkuvuuden yleistymisessä.
Muovien rooli energian varastoinnissa
Akuissa käytetyt materiaalit ja rakennusperiaatteet määräävät ensisijaisesti niiden energian varastointitoiminnon. Muoveilla on tässä merkittävä rooli, vaikka niitä ei voida käyttää suoraan sähköjohtimina. Niitä käytetään akun rakenteessa eristeenä, erotusmateriaaleina, koteloina ja elektrolyyttikalvoina, mikä lisää osaltaan akun kemiallista vakautta ja käyttöikää sekä varmistaa turvallisen ja tehokkaan toiminnan.
Yksi esimerkki ovat litiumioniakut, joita käytetään lukuisissa sovelluksissa, kuten älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, sähköajoneuvoissa ja energian varastointijärjestelmissä. Litiumioniakkujen katodit ja anodit päällystetään usein muovilla, jotta varmistetaan eristys ja pitkäaikainen suoja ei-toivottuja kemiallisia reaktioita ja korroosiota vastaan. Liikkuvuusalalla vaatimukset keskittyvät myös lämmönkestävyyteen.
Akuissa käytetään erilaisia muoveja, joilla kaikilla on erilaiset varastointitehtävät. Seuraavassa luodaan katsaus tärkeimpiin muoveihin ja niiden tehtäviin:
Akun elektrodit on eristettävä toisistaan oikosulkujen välttämiseksi. Tähän tarkoitukseen käytetään usein polymeereistä, kuten polyvinyylideenifluoridista (PVDF) tai polyeteenistä (PE) valmistettuja pinnoitteita. Nämä materiaalit ovat sähköisesti eristäviä ja niillä on korkea kemiallinen kestävyys, joka suojaa elektrodeja esimerkiksi elektrolyytin aiheuttamalta korroosiolta.
Sideaine auttaa pitämään aktiivisen materiaalin (kuten metallioksidin tai grafiitin) koossa elektrodissa, jotta varmistetaan eheys ja vakaus syklin aikana. Litiumioniakuissa ja polttokennoissa käytetään usein PVDF:ää, koska sillä on hyvä tarttuvuus elektrodeihin ja suuri mekaaninen lujuus myös korkeissa lämpötiloissa. Polytetrafluorieteeniä (PTFE) ja polyfenyleenioksidia (PPO) käytetään polttokennoissa myös niiden alhaisen kitkakertoimen vuoksi. Redox-virtausakuissa käytetään polyakryylinitriiliä (PAN), koska se edistää paitsi hyvää tarttuvuutta myös elektrodien stabilointia.
Erottimet ovat kalvoja tai kalvoja, jotka on sijoitettu akun elektrodien väliin oikosulkujen estämiseksi. Niiden on oltava erittäin läpäiseviä ioneille, jotta elektrolyytti voi virrata, mutta ne eivät saa läpäistä elektroneja. Tähän tarkoitukseen käytetään usein polypropeenista (PP) tai polyeteenistä (PE) valmistettuja suulakepuristettuja muovikalvoja, joilla on suuri mekaaninen lujuus ja hyvät eristysominaisuudet ja jotka samalla eristävät tehokkaasti elektronit. Kuivaprosessissa PVDF levitetään pinnoitteena synteettisistä kuiduista valmistettuun kuitukankaaseen, joka sulatetaan ja puristetaan paineen alaisena korkeassa lämpötilassa. Kuivaprosessin lisäksi polysulfonilla (PS) käytetään märkäprosessia, jossa liuos levitetään muoviseen kuitukankaaseen. Märkäprosessin tuloksena saadaan erottimia, joiden huokoisuus on suurempi ja huokoskoko ja -jakauma homogeenisempi. Ne ovat myös ohuempia mutta vähemmän lujia kuin kuivamenetelmällä tuotetut erottimet.
Akun kotelon on oltava mekaanisesti vakaa ja sähköisesti eristetty elektrodien ja elektrolyytin suojaamiseksi. Tässä käytetään usein muovia, kuten akryylinitriilibutadieenistyreeniä (ABS) tai polykarbonaattia (PC), koska niillä on suuri lujuus ja iskunkestävyys ja ne suojaavat akkua ympäristövaikutusten tai sähkökenttien aiheuttamilta vaurioilta.
Polttokennoissa perfluorattuja ionomeerejä käytetään protoninvaihtokalvoina (PEM). Näillä muoveilla on korkea protoninjohtavuus ja hyvä kemiallinen ja terminen stabiilisuus, minkä vuoksi ne soveltuvat polttokennoissa käytettäviksi. PEM-membraaneilla on oltava korkea kaasunläpäisevyys, joka mahdollistaa hapen ja vedyn kuljettamisen. Redox-virtausakuissa käytetään polysulfonista tai polyvinyylikloridista (PVC) valmistettuja ioninvaihtokalvoja. Näillä muoveilla on hyvä ioninvaihtokapasiteetti ja suuri kemiallinen stabiilisuus, joten ne soveltuvat erinomaisesti käytettäviksi aggressiivisissa elektrolyyteissä. Kalvoilla on myös oltava suuri mekaaninen lujuus, jotta ne kestävät nesteen virtauksen akussa. Merkittävä ero molemmissa sovelluksissa käytettävien kalvojen välillä on niiden toiminnallisuus. Polttokennoissa PEM-membraanit toimivat elektrolyyttisinä kalvoina, jotka erottavat anodin ja katodin toisistaan ja sallivat protonien virtauksen sähkövirran kulun mahdollistamiseksi. Redox-virtausakuissa ioninvaihtokalvot erottavat elektrolyyttiliuokset toisistaan ja mahdollistavat ionien virtauksen kahden elektrodin välillä.
Thermal Analysis Devices and Rheometers by NETZSCH auttavat määrittämään akuissa käytettävien muovien ihanteelliset ominaisuudet
Tässä muutamia esimerkkejä:
Lämpöanalyysia käytetään muovien lämpöominaisuuksien, kuten sulamislämpötilan, lasittumislämpötilan, kiteytymislämpötilan ja lämmönjohtavuuden kuvaamiseen. Esimerkiksi sulamislämpötilalla, joka voidaan mitata DSC:llä (Differential Scanning Calorimetry), on tärkeä rooli akun erottimien kehittämisessä. Jos erotin sulaa korkeissa lämpötiloissa ja elektrodit menevät oikosulkuun, tämä voi johtaa lämpöreaktioon ja akun käyttölämpötilan nousuun. Käyttölämpötilan nousu voi vaikuttaa akun suorituskykyyn ja käyttöikään kiihdyttämällä kemiallisia reaktioita akussa ja nopeuttamalla elektrolyytin hajoamista.
Termogravimetrista analyysia (TGA ) käytetään muovien stabiilisuuden testaamiseen niiden käyttöalueen kohonneissa lämpötiloissa.
Dynaamis-mekaanista analyysia (DMA ) voidaan käyttää ennustamaan pitkän aikavälin suorituskykyä huoneenlämmössä tai korotetuissa lämpötiloissa.
Reologiset tutkimukset auttavat määrittämään akuissa käytettävien muovien ihanteelliset ominaisuudet. Analysoimalla materiaalien virtauskäyttäytymistä voidaan luonnehtia muovien viskositeettia, kimmoisuutta ja plastisuutta. Esimerkiksi viskositeetti on olennainen tekijä elektrodien pinnoitteiden kehittämisessä, sillä se vaikuttaa siihen, kuinka tasaisesti pinnoite levittyy ja kuinka hyvin se tarttuu.
Akkusovellukset NETZSCH Analyzing & Testing
NETZSCH Analyzing and Testingin kattavan lämpöanalyysilaitteiden ja reometrien tuotevalikoiman avulla autamme sinua määrittämään ja valitsemaan täydelliset materiaalit akkuusi. Asiantuntijoillamme on vuosikymmenten kokemus, ja he löytävät yhdessä kanssasi oikean ratkaisun yksilölliseen sovellukseesi.
