Laptopjainkban, mobiltelefonjainkban, gyermekjátékokban, szívritmus-szabályozókban, elektromos autókban – az akkumulátorok mindenütt ott vannak. Ebben a cikkben röviden elmagyarázzuk, hogyan is működnek ezek a szerkezetek, illetve bemutatjuk az akkumulátorok gyártási folyamatait.
Hogyan működnek?
Az akkumulátorok hordozható áramforrások. Ahelyett, hogy a hálózatból vennék fel az áramot, kémiai reakció révén termelnek energiát. Ennek a reakciónak a kulcsa az elektronok mozgása. Az elektronok az atomok negatív töltésű részecskéi, és amikor mozognak, energiát termelnek. Az akkumulátorok gyártása során ezt két olyan fém vagy „elektróda” alkalmazásával érik el, amelyek két alapvető kritériumnak felelnek meg. Először is, képesnek kell lenniük az elektromosság vezetésére, másodszor pedig eltérő fémeknek kell lenniük. Hogy miért? Mert az egyik fém – katód – mindig „elektronegatívabb”, mint a másik fém – anód elektropozitív. Más szóval, jobban vonzza az elektronokat.
Amikor ezeket a fémeket összekapcsolják egy áramkörben, mindkettő megpróbálja magához vonzani az elektronokat. A katód mindig győzni fog, és magához vonzza az elektronokat az anódtól. Ezáltal az elektronok mozgásba lendülnek, a mozgó elektronok pedig áramot termelnek.
Maga az akkumulátor egy majdnem, de nem egészen teljes áramkör. Az akkumulátorban lévő fémeket egy elektromosságot vezető anyag, az elektrolit köti össze, de ez csak egy része a történetnek. Az áramkör akkor zárul le, amikor az akkumulátort a külső áramkörnek nevezett elemhez csatlakoztatjuk, amelyhez áramot kell szolgáltatnia.
Van még egy aspektusa az akkumulátoros áramellátásnak. Az elektronok mellett az anód pozitív ionokat is termel. Ezek az anód felé haladnak az elektroliton keresztül, míg az elektronok a külső áramkörön keresztül a táplálandó tárgy felé mozdulnak. Az áramkör lezárásának részeként az elektronok újra egyesülnek az elektrolitból származó ionokkal.
Hogyan készülnek?
A gyártás módja az akkumulátor típusától függ. A következőkben bemutatjuk a leggyakrabban használt akkumulátorok előállítási módjait.
EV akkumulátorok
Az elektromos autókat lítium-ion akkumulátorok hajtják. Ez az egyik legelterjedtebb újratölthető akkumulátortípus. Ha veszünk egy töltővel ellátott készüléket, akkor az jó eséllyel lítium akkumulátorral rendelkezik. Amikor az akkumulátort a hálózatra csatlakoztatjuk, az áramtermeléshez használt kémiai reakció megfordul, így az áram az akkumulátorba áramlik be, nem pedig ki, és így feltöltődik.
A gyártási folyamat összetett, nagymértékben automatizált és nagyjából három szakaszra osztható.
- Elektródák készítése
Ez a folyamat egy futószalagon veszi kezdetét. Itt az anódot (általában grafitot vagy cinket) és a katódot (általában valamilyen lítium-oxidot) összekeverik vezető kötőanyaggal vagy elektrolittal, és így fekete masszát képeznek. Lítium akkumulátorok esetében a szóban forgó elektrolit általában lítiumsóoldat. Ezután az anódot rézfóliába, a katódot pedig alumíniumfóliába burkolják, majd rájuk sütik.
- Cellák készítése
A keresztszennyeződések elkerülése érdekében az anódokat és a katódokat eddig a pontig külön tartják, az elektrolitot pedig vákuumban, hogy megakadályozzák az oxigénnel való reakcióját. Ebben a fázisban azonban mindhármat réz- és alumíniumhuzalokkal együtt tekercselik fel egy tokban. Ez a lesz cella, amelyet ezután feltöltenek és tesztelnek.
- Az akkumulátor megépítése
Az akkumulátor összeépítéséhez a cellák egy részét lemezekre hegesztik mind az anód-, mind a katódoldalon. Hogy hány cella van az egyes tokokban, az a szükséges elektromos áram vagy „ampert óra” mennyiségétől függ. Ezután a cellákat egy biztonsági eszközhöz, az úgynevezett akkumulátor-kezelő rendszerhez csatlakoztatják. Ez figyeli az akkumulátor teljesítményszintjét, áramát és hőmérsékletét. Végül mindezeket az alkatrészeket egy általában gumiból, szilikonból vagy műanyagból készült védőtokba helyezik, és az egész akkumulátort újra tesztelik.
Akkumulátorok hagyományos autókban
A hagyományos autókban is használnak akkumulátorokat, mégpedig ólomsavas akkumulátorokat. Itt mindkét fém ólom, de eltérő kémiai összetétellel. Ezek kénsavas oldatban lévő ólomötvözet és ólom-oxid lemezek.
Lúgos cellák
Az órák, játékok és távirányítók csak néhány olyan háztartási eszköz, amelyekben hagyományos, nem újratölthető alkáli elemeket használnak. Ezek azok a Duracell vagy Energiser elemek, amelyeket a szupermarketben is megtalálunk.
A lítiumelemekhez hasonlóan az alkáli elemek gyártása során is elkészítik az elektródákat, és egy tokban összeszerelik őket. A különbség az, hogy itt nem cellák gyűjteményéről beszélhetünk, hanem minden henger egy-egy cella.
Az alkáli elemeknél a katód vagy pozitív elektród mangán-oxid, grafit és kálium-hidroxid oldatban lévő keverékéből készül. A kálium-hidroxid az elektrolit. Mindezeket óriási tartályokban egyesítik, majd a keveréket granulálják és előformának nevezett gyűrűkbe préselik. Minél több preformációt raknak egymásra, annál tartósabb az akkumulátor. A katód elkészítéséhez a keveréket egy nikkelezett acél hengeres tartályba helyezik. A tartályok egy szállítószalagon haladnak, és az előformákat felülről helyezik bele. Ezután az egyik végén bitumennel lezárják őket.
A második elektróda hozzáadása előtt a katódtartályba egy szeparátort helyeznek, hogy az előformákat befedje. Ez az elektrolit kálium-hidroxid-oldatba áztatott papírrétegekből áll.
Ezután az anódot az acéltartályba öntik. Ez az erősen mérgező gél cinkporból, egy zselésítő anyagból és az elektrolitoldatból áll.
A tartályt végül egy alaplemezzel lezárják. Ehhez egy sárgaréz csapot rögzítenek bitumen segítségével. Ez belenyúlik a tartályba, és összegyűjti az áramot. A csapot és a lemezt összekötik, majd belenyomják az acéltartályba. Az akkumulátor anódvégét műanyaggal, mindkét végét pedig fémkupakkal zárjuk le.
Az akkumulátorokat megvizsgálják, a hibásakat eltávolítják, majd a típusukat és méretüket jelölő matricákat ragasztanak rájuk. Mindez ismét nagymértékben automatizált.
Összeségében elmondható, hogy a lítium-ion akkumulátorok gyártása egy sor aprólékosan ellenőrzött lépést foglal magában, amelyek mindegyike létfontosságú az akkumulátor teljesítményének, biztonságának és megbízhatóságának biztosításához.
Forrás: Discovery UK
