Amit a telefonod akkumulátora nem mond el – de tudnod kell, hogy ne legyen baj

Hogyan is működik?

Egy lítiumion-akkumulátor – 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, amely jellemzően egy folyékony anyag, ebben úszkálnak a lítiumionok. Ők a töltéshordozók. A szendvicsbe szükségünk van még egy nagy salátalevélre. 

Ez lesz a szeparátor, amely megakadályozza, hogy a zsömle két fele – vagyis a két elektróda – összeérjen, de a lítiumionokat átengedi, hogy azok szabadon úszkálhassanak az elektrolitban. 

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

A lítiumion-akkumulátor gyűjtőfogalom, 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, ez 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 nincs 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 ugyanez a másik oldalon csökkenti a termikus stabilitást és a tartósságot. 

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 púposodik fel?

Az akkumulátor felpúposodását az okozza, ha valamilyen oknál fogva az elektronok nem tudnak az anód grafit­kristályrácsába befurakodni, hanem csak a felületén ragadnak meg egyenetlenül. Az anód felületén apró faszerű képződmények, úgynevezett lítiumdendritek jelennek meg, és növekedni kezdenek. Átszakítják a szeparátort, és elérik a katódot (vagyis a két szendvics­fél „összekapcsolódik”), akkor rövidzárlat keletkezik az akkumulátorban. A rövidzárlat azért veszélyes, mert tüzet okozhat.

Mi okozhatja az akkumulátor meghibásodását? 

Az akkumulátor cellái alapvetően három fő okból gyulladhatnak ki: mechanikai hatásra (például 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 lítiumion-akkumulátorok hőmérsékletének 20 százalékos 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 Celsius-fokról 1000-re emelkedhet. 

A kiáramló gyúlékony elektrolitgőzök és a magas hőmérséklet miatt tűz keletkezik, amely átterjedhet a szomszédos cellákra is. 

Miért különösen veszélyesek a lítiumion-akkumulátorok okozta tüzek?

A kritikusan magas belső hőmérsékletet elérő katód fémoxidjainak bomlása oxigént fejleszt, és ez különösen veszélyessé teszi a lítiumion-akkumulátorok tűzeseteit, ugyanis a tűznek van saját oxigénforrása, így akkor is tovább tud égni, ha a külső oxigénellátás korlátozott. Ez az oka annak, hogy az így keletkezett tüzeket sokkal nehezebb eloltani.

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 (például a metán és az etilén). 

Jobb tudni, mint megijedni!

Ennyi veszély és kockázat hallatán könnyen megijedhetünk, de ne tegyük, ma még nagyon csekély a tényleges balesetek száma. Köszönhető ez annak is, hogy azok az akkumulátorok, amelyeket ma használunk, már rendelkeznek úgynevezett akkumulátorfelügyeleti technológiával (BMS – Battery Management System), 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 azok 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 (például alacsony az akkumulátor töltöttsége), akkor a gyorstöltési módot választják. Ha nincs közös gyorstöltési szabvány, vagy a telefon nem kéri a gyorstöltést (mert már majdnem teljesen fel van töltve, vagy a felhasználó letiltotta a gyorstöltési funkció használatát), akkor a normál 5V-os töltésen maradnak.

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!

– Megbízható gyártótól és kereskedőtől vásároljunk töltőt, és ha cserélhető, akkor (tartalék) akkumulátort!

– Kövessük a gyártó útmutatóját arra vonatkozóan, hogy milyen töltőt javasol!

– Ha a töltő, az akkumulátor vagy az azt tartalmazó készülék szokatlanul melegszik, netán égett szagot ad vagy füstöl, 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 vigyük szervizbe!

– Ha az akkumulátor felpúposodott, ez is az életútja végét jelzi. Veszélyes a további használata.

– Ne töltsünk extrém meleg vagy hideg körülmények között. Általában 0–40 Celsius-fok között javasolják a töltést, ezen tartományon kívül nemcsak létezni, de töltődni sem nagyon szeretnek a lítiumion-akkumulátorok. 

– Akkor vigyázunk legjobban az akkumulátorainkra, ha a töltöttségi szintjüket 20–80 százalék között tartjuk. Inkább nappal és felügyelet mellett töltsünk minden lítiumion-akkumulátort.

– Ha egy akkumulátort nem használunk – például 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 Celsius-fok között van. Időnként ellenőrizzük a töltöttségét, és ne hagyjuk lemerülni! Tartsuk a töltöttségét 50–80 százalék között!

– Ha a készülékünk lehetőséget ad rá, a Beállítások menüpontban beállíthatjuk, hogy a telefonunkat maximum 80 százalékig töltse fel a töltő, vagy ne engedélyezze a gyorstöltést. Ezt hosszabb élettartammal hálálja meg az akkumulátor.

Ha kigyulladna…

Fontos tudnunk, hogy a tűz agresszív, gyors terjedésű lehet. Az akkumulátor vagy az eszköz ilyenkor nagyon forró (akár az 1000 Celsius-fokot is elérheti), így semmiképp sem szabad megérinteni. Ha a tűz kicsi, és úgy döntünk, hogy megpróbáljuk eloltani, akkor a legjobb, ha ezt speciális, lítiumion-eszköz okozta tűzre gyártott oltóeszközzel tesszük. Ezt azonban valószínűleg kevesen tartanak otthon. Gondolhatunk a vízre is, mint klasszikus tűzoltóra, de nagy mennyiségű vízre van szükség. 

Ez egy mobiltelefonnál vagy számítógépnél legalább egy nagy vödör vagy folyamatos vízellátást adó slag. A kevés víz ilyenkor 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 a készülék, pontosabban az akkumulátor lehűlt a sikeres oltást eredményeként, 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 lítiumion-akkumulátoraink működési mechanizmusát, könnyen megértjük azt is, hogy éppen azok a tényezők rejtik a baleseti kockázatokat, amik 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 lítiumion-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-hulladékgyűjtő pontra 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.

A lítiumion-akkumulátorok és a jövő

A lítiumion-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 lítiumion-akkumulátorok iránti kereslet várhatóan ötszáz százalékkal fog nőni 2050-ig. 

Azt azonban tudni kell, hogy bár a lítiumion-akkumulátorok használati fázisukban (például elektromos járművekben) elősegíthetik a helyi károsanyag-kibocsátások csökkenését, a gyártásuk jelentős környezeti lábnyomot eredményez. Hulladékhasznosításuk pedig szintén fontos kihívást jelent majd a jövőben. 

Ez a cikk a Képmás magazinban jelent meg. A magazinra előfizethet itt.