Литиевите батерии се използват широко в преносимата потребителска електроника (телефони и лаптопи), хибридните автомобили и електромобилите благодарение на високата си енергийна плътност, която им позволява да съхраняват значителни количества енергия, въпреки компактните си размери и тегло.
Всяка батерийна клетка съдържа положителни катоди, аноди на графитна основа и електролитен разтвор между тях; сложният химичен процес в тях включва преминаването на литиеви йони и електрони напред-назад през този разтвор.
Как функционират?
Литиево-йонните батерии са неразделна част от съвременната електроника и електромобилите, като могат да се зареждат и разреждат многократно, без да губят енергия. Съставът им включва частици от въглерод или графит, суспендирани в разтвори от метални оксиди и литиеви соли, които образуват електролит за генериране на ток. Когато експлоатационният им срок изтече, литиевите батерии могат да бъдат разглобени за рециклиране, като около 80 процента от компонентите остават подходящи за рециклиране.
Литиево-йонните батерии станаха изключително популярни благодарение на своята изключителна енергийна плътност; тези елементи съдържат три или четири пъти повече енергия на единица тегло в сравнение с оловно-киселинните, зареждат се бързо и запазват заряда си дори след дни или седмици без употреба, което ги превръща в предпочитан избор за електроинструменти, лаптопи и други мобилни устройства.
Литиевите йони, които се придвижват от анода към катода през електролита, се преместват чрез интеркалация; по време на зареждането те физически се вмъкват между двуизмерните слоеве на графена в анода, за да се осъществи интеркалацията. След разряда процесът протича по подобни пътища, но електроните, освободени в резултат на реакциите с металния оксид, се връщат обратно през него и се свързват с графита в анода, като образуват литиеви въглеродни съединения.
В началото на 90-те години на миналия век производителите започнаха да преминават към лития като източник за съхранение на енергия, тъй като материалите, необходими за никел-кадмиевите (NiCad) или никел-металхидридните (NiMH) батерии, бяха по-скъпи и по-редки. Литият също така позволява по-голям брой цикли на зареждане и разреждане.
Литиевите автомобилни акумулатори представляват сериозна опасност: термичен разгон. Това се случва, когато презареждането, късото съединение или други фактори предизвикат прегряване, което води до разпадане на анодното покритие и изтичане на електролита – което може да предизвика пожари или изпускане на токсични газове. За оптимални резултати купувайте от надеждни производители, които поддържат високи стандарти за безопасност и издръжливост.
Кои са основните компоненти?
Литиевите батерии функционират чрез преминаването на литиеви йони между два електрода – положителен катод и отрицателен анод – чрез електролитен разтвор, като осигуряват надеждно захранване за преносими електронни устройства, аварийни резервни системи и дори любителски радиостанции. Ниската им степен на саморазреждане прави литиевите батерии идеални за продължително съхранение, например в отдалечени райони, където няма електроенергийна мрежа.
Ефективността на литиевите батерии зависи в голяма степен от избраните материали за електродите и електролита. Анодите обикновено се състоят от графит, докато катодите обикновено се състоят от литиеви метални оксиди като кобалтов оксид или железен фосфат; електролитът, съставен от литиеви соли, разтворени в органичен разтворител, улеснява потока на йони между електродите за целите на зареждането и съхранението – създавайки възможности за генериране и съхранение на електроенергия, идеални за електрически превозни средства и други приложения. Тази комбинация позволява на литиевите батерии да осигуряват висока енергийна плътност в изключително компактен и лек корпус, което ги превръща в отличен избор за приложения като зареждане на електрически превозни средства или приложения за съхранение на енергия, като например електрически батерии с железен фосфат.
Аналитичните изпитвания са от съществено значение при производството на литиеви батерии, за да се гарантира, че тяхната безопасност и капацитет не се нарушават от примеси, като например желязо. Желязото може да възпрепятства електрохимичните реакции между анодните и катодните електроди и да съкрати експлоатационния срок на батерията; освен това водата – която в някаква степен присъства във всички електролити на батериите – може да съкрати експлоатационния срок, като засили корозията и риска от късо съединение.
Литиево-йонните батерии са разработени с оглед на безопасността и като цяло са значително по-безопасни от оловно-киселинните си аналози при стартирането на автомобили с двигатели с вътрешно горене. Това се дължи отчасти на факта, че литиевите батерии са по-малко податливи на изпускане на газове, което би могло да доведе до пожари или експлозии при неправилна употреба, а съвременните литиеви батерии разполагат и с предпазни отвори и устройства за прекъсване на тока, които се задействат при прекомерно нагряване, налягане или химична деградация.
Суровините, необходими за литиевите батерии, са в изобилие и широко достъпни по целия свят, въпреки че концентрацията на производството им в някои страни-производители създава определени рискове. Например, Демократична република Конго в момента произвежда по-голямата част от кобалта, необходим за задоволяване на динамичното търсене от страна на производителите на литиеви батерии; доставките от тази страна биха могли да бъдат засегнати и от текущите развития в химията и технологията на батерийните клетки, които намаляват необходимостта от кобалтови катоди или дори напълно премахват нуждата от тях.
Как се извършва таксуването?
Литиево-йонните батерии играят централна роля в ежедневието ни, тъй като лаптопите, мобилните телефони и електромобилите разчитат на тях за захранване. Тяхната лекота, високата енергийна плътност и лесното зареждане направиха възможни електромобилите; но литиевите батерии крият и рискове; неправилното зареждане може да доведе до прегряване и възникване на пожар – затова е от съществено значение хората да разберат как се зареждат правилно литиевите батерии, за да ги използват безопасно.
Всяка батерия се състои от стотици или дори хиляди леко меки литиево-йонни електрохимични клетки, разположени плътно една до друга и свързани помежду си с течни електролитни разтвори. Те обикновено имат формата на цилиндрични или торбичковидни клетки с положителни катоди (често съставени от метални оксиди като никел, манганови и кобалтови оксиди), свързани чрез проводници с отрицателно заредени графитни аноди посредством свободно свързани външни електрони върху литиевите им йони, което позволява двупосочен контакт между електродите, водещ до химична реакция, която съхранява електрическа енергия под формата на химична енергия (макар и с някои загуби поради ниска кулонова ефективност под единица).
Зарядните устройства за литиеви батерии работят, като повишават напрежението в системата над това на батерията, за да я заредят с електричество, като системата за управление на батерията (BMS) следи да не възникнат вредни явления; също така трябва да се избягват бързите режими на зареждане, тъй като те могат да доведат до прегряване на катодите и да съкратят срока на експлоатация.
Ефективният подход за зареждане на литиеви батерии включва подаване на постоянен ток, докато напрежението достигне 4,2 волта на елемент, след което токът постепенно се намалява, докато капацитетът не спадне до 3 процента, след което системата се изключва. Този процес е известен като поддържащо зареждане.
Следете внимателно температурата на батерията си, за да удължите срока ѝ на годност и да предотвратите преждевременно образуване на газ в резултат на химичния процес на разграждане. Ето защо е препоръчително да поддържате стайна температура, когато съхранявате литиеви батерии на открито в неотоплявана или студена среда.
Как се изхвърлят?
Литиевите батерии съхраняват енергия под формата на литиеви йони, които се движат между електродите (положителен катод и отрицателен анод) чрез течност, наречена електролит. При зареждане външен източник на енергия прилага свръхнапрежение към всяка клетка на литиево-йонната батерия, за да принуди електроните да преминат от единия електрод към другия през електролита – този процес на пренос позволява зареждането, тъй като преносът може да се осъществи и в двете посоки – което улеснява измерването на капацитета и напрежението за потребителите. Изчисленията на напрежението и капацитета зависят от броя на клетките, както и от това колко добре са конфигурирани;
Литиево-йонните батерии използват механизъм за йонен обмен, който осигурява високи нива на съхранение на заряд на единица обем и маса, като по този начин се постига висока енергийна плътност и мощностна плътност – качества, които ги превръщат в изключително търсена технология при електромобилите, които се нуждаят от големи количества енергия, за да се придвижват. Бързото им презареждане и високата скорост на разряд също ги правят подходящи за приложения, които се нуждаят от кратки изблици на мощност, като например приложения с краткотрайни пикове на натоварване.
Продължителността на експлоатация на литиево-йонните батерии зависи от способността им да се зареждат и разреждат с течение на времето, както и от работата им при екстремни температури. С течение на времето капацитетът им намалява, тъй като анодът се износва, електролитът се изпарява и вътрешното съпротивление се увеличава – тази постепенна загуба се нарича саморазреждане, което може да бъде предотвратено чрез намаляване на скоростта на зареждане, степента на разреждане или чрез избягване на излагането на екстремни условия.
За производството на литиево-йонна батерия суровината, като например бета-сподумен, първо трябва да бъде извлечена, натрошена и смляна. След това тя се обработва със сярна киселина, за да се получи разтвор на литиев сулфат, който по-късно може да бъде пречистен чрез различни методи. Този процес обикновено включва утаяване, йонообмен и екстракция с разтворител за отстраняване на примесите от разтвора. След като чистият литиев сулфат бъде изолиран, той може да бъде превърнат в литиев карбонат или литиев хидроксид чрез химични реакции. Този етап подготвя батерията за употреба в автомобилната индустрия. Литиево-йонната батерия съдържа запалим течен електролит, с който трябва да се борави внимателно, за да се защитят както водачите, така и пътниците в превозното средство.