A Toyota a világon elsőként olyan technológiát fejlesztett ki, amivel megfigyelheti, hogyan viselkednek az elektrolitban a lítium (Li) ionok a Li-ion akkumulátor töltése, illetve kisütése során.

Ezzel a módszerrel a kutatók valós időben tudják megfigyelni a Li-ion teljesítmény-csökkenésének az egyik kiváltó okát: a Li ionok normálistól eltérő viselkedését. A Toyota úgy véli, az eredmények alapvetően meghatározhatják az akkumulátorok teljesítményének és tartósságának a javítását, illetve a plug-in hybrid (PHV) és akkumulátoros elektromos (EV) járművek hatótávolságának a meghosszabbítását célzó kutatás-fejlesztési tevékenységeket.

Autóipari Li Ion akkumulatorok szerkezete és működési elve

„Jóllehet az alábbi részletes kifejtés végigkövetéséhez nem árt némi előképzettség, ez nem csökkenti a hír jelentőségét és forradalmi voltát: most először került reális közelségbe olyan megoldás, amely a lítium-ion akkumulátorok élettartamának és hatótávjának drasztikus növekedését hozhatja magával, ami rendkívüli mértékben felgyorsíthatja a környezetbarát technológiák jövőbeni térnyerését.” – fogalmaz Varga Zsombor, a Toyota és Lexus márkák magyarországi kommunikációjáért felelős vezetője.

 A Li-ion akkumulátorok fémoxid katódot, szén alapú anódot, valamint szerves elektrolitot alkalmaznak. A lítium ionok töltés során a katódtól az anód felé áramlanak az elektrolitban, kisütéskor pedig fordítva, az anódtól a katód irányába haladnak. Így jön létre az elektromos áram. Az elektrolitban lévő lítium ionok ezért alapvető szerepet játszanak az akkumulátor töltése és kisütése során.  Közismert tény, hogy a töltés és a kisütés következtében az elektródákon, illetve az elektrolitban megváltoznak a lítium ionok, és a feltételezések szerint ezek a deviációk korlátozzák az akkumulátor hasznos területét, amely egyik oka lehet annak, ami miatt csökken az akkumulátor maximális teljesítménykifejtését lehetővé tevő terület. A lítium ionok deviációjának mechanizmusát kutatva azonban a hagyományos technikákkal nem lehetett ellenőrizni az elektrolitban lévő lítium ionok viselkedését azok felhasználási körülményeivel megegyező közegben.

Kisütés közbeni állapot

A Toyota által a probléma megoldására kifejlesztett megfigyelési technika két fő jellemzője:

·         A világ legnagyobb teljesítményű szinkrotronsugárzását előállító SPring-833 szinkrotronsugárzási létesítményben beüzemelt Toyota sugárnyaláb különösen nagy intenzitású: az orvosi röntgenberendezéseknél egymilliárdszor nagyobb teljesítményű röntgensugárzást képes előállítani. Az 0,65 mikron/pixel felbontású, 100 ms/képkocka sebességű méréseket tesz lehetővé.

Újonnan kifejlesztett kisütési technika

·         A számos Li-Ion akkumulátorban alkalmazott foszforos elektrolit helyett új, nehéz elemeket tartalmazó elektrolitot alkalmaznak. Így az elektrolitban mozgó lítium ionok nem a foszfortartalmú ionokhoz kötődnek, hanem a nehéz elemeket tartalmaz ionokhoz. A nehéz elemek viszont gyengébb röntgensugárzást bocsátanak ki, a képen a felvételt követően látható árnyékok sötétebbek. A nehéz elemek viselkedését megfigyelve ellenőrizhetjük az elektrolitban hozzájuk kapcsolódó lítium ionok deviációs viselkedését.

Litium-ion deviáció az elektrolitban az akkumulator kisülése során

A fentiekben ismertetett technikával, a vizsgált termékekhez hasonló szerkezetű (pl. laminált cella a valós akkuhasználatra emlékeztető környezetben és körülmények között) akkumulátorral valós időben megfigyelhető az a Li-Ion deviációs folyamat, amely a töltés és a kisütés során az elektrolitban végbe megy. Ezt a megfigyelési technikát a Toyota központi K+F laboratóriuma, a Nippon Soken, Inc. valamint négy felsőoktatási intézmény fejlesztette ki.  A Toyota jövőben megfigyeli milyen viselkedést eredményeznek a katód, az anód, a szeparátorok, illetve az elektrolit anyagában, illetve szerkezetében alkalmazott eltérések, illetve az akkumulátorszabályozásban jelentkező különbségek. Az akkumulátor teljesítményromlásához vezető mechanizmusok elemzése olyan kutatás-fejlesztési folyamatokhoz vezethet, amelyek javíthatják az akkumulátorok teljesítményét és tartósságát, és ezzel hosszabb élettartamot, valamint nagyobb hatótávolságot érhetnek el.