Литиево-йонните батерии са ключова технология за прехода към чиста енергия

Литиевите батерии съхраняват енергията ефективно, което ги прави отличен избор за използване в електрически превозни средства или превозни средства за отдих. Литиевите батерии също така поддържат изключително високо ниво на заряд във времето.

Тъй като литиевите йони преминават от анода към катода чрез електролита, популярните анодни материали включват въглерод и силиций; катодите се състоят от метални оксиди като шпинел, никел кобалт манган или литиево-железен фосфат като катоди.

1. Съхранение на енергия

Литиево-йонните батерии имат едно от най-големите въздействия в най-новата история; те проправиха пътя на революцията в електронната мобилност и сега служат като ключови фактори за прехода към чиста енергия. Използването им захранва все по-широка гама от потребителска преносима електроника - преносими компютри и мобилни телефони, електромобили/хибриди с възможност за включване към електрическата мрежа/домашни системи за съхранение на енергия и др.

Батериите се състоят от пет основни елемента: анод, катод, сепаратор между електродите, разтвор на електролит, който пренася литиеви йони чрез електролиза, и токоприемници от мед и алуминий за свързване към проводници. По време на зареждане външен източник на енергия прилага свръхвисоко напрежение, което изтласква електроните от положителните електроди към отрицателните и пренася литиевите йони между анода и катода чрез електролиза; при разреждане се случва обратното: литиевите йони напускат единия електрод и се вклиняват между електродите, докато свободните електрони изтичат през проводниците, осигурявайки ток, който захранва нашите устройства.

Анодът може да се състои от различни материали, но графитът и литиево-кобалтовият оксид са два от най-популярните анодни материали. Катодите обикновено се състоят от метали като никел-кобалт-алуминий или литиево-железен фосфат; техният химически състав в крайна сметка определя работата на батерията: например никел-кобалт-алуминият осигурява по-дълъг живот на цикъла, докато литиево-железният фосфат може да бъде по-икономичен.

Понастоящем по-голямата част от разходите за производство на LiB са посветени на производството на електроди и довършителните работи по клетките - два процеса, които са едни от най-времеемките и най-енергоемките; те изразходват общо около 40% от капацитета на батерията. С намаляването на разходите за суровини и разширяването на производствения капацитет обаче цените на LiB би трябвало да продължат да падат с течение на времето.

2. Безопасност

Поради запалимия си течен електролит неправилно проектираните и произведени литиеви батерии представляват опасност за безопасността, когато са повредени или неправилно заредени, което може да доведе до пожар или експлозия. Много работа е извършена за подобряване на дизайна и производството им, за да се намали този риск; литиево-йонната технология се използва и за създаване на твърдотелни батерии без електролит.

Литиево-йонните батерии се отличават сред видовете акумулаторни батерии с изключително висока енергийна плътност, което означава, че по-малките клетки могат да осигурят същото количество енергия като по-големите батерии - идеално решение за преносими устройства като телефони и цифрови фотоапарати, електрически превозни средства, превозни средства за отдих и други, които се нуждаят от ефективно захранване, като същевременно остават леки.

Основното предимство на този тип батерии е, че те не страдат от ефекта на паметта, поради което можете да използвате пълния им капацитет, без да се притеснявате, че с течение на времето ще станат по-малко ефективни. Имайте предвид обаче, че химическият й състав не понася много добре топлината, така че съхраняването при по-високи температури може да доведе до непоправими щети.

Затова е важно да прочетете внимателно ръководството за употреба на батерията, за да знаете как най-добре да се грижите за нея и да удължите живота ѝ. Като цяло, поддържането на хладно място и недопускането на презареждане ще увеличи живота на батерията и ще осигури оптимална производителност.

3. Олекотен

Никел-кадмиевите, а по-късно и никел-металхидридните батерии бяха стандартният избор за преносима електроника - от мобилни телефони до преносими компютри - в продължение на повече от 100 години, докато в началото на 90-те години на миналия век литиево-йонните батерии не се появиха като алтернативна технология. Литиево-йонните клетки са по-леки и по-мощни от своите предшественици, като същевременно се отличават с двойна енергийна плътност, както и с възможност за зареждане/разреждане при напрежение 3,6 V, което позволява проектирането на батерийни пакети само с една клетка.

Литиевите батерии се използват в преносимите компютри, електрическите превозни средства и акумулаторните електроинструменти. Литиевите батерии са чудесни решения за съхранение на слънчева енергия, тъй като се зареждат и разреждат бързо - те също така са чудесни решения за резервно захранване, като например UPS системи или аварийни захранвания.

Температурата и начините на употреба оказват значително въздействие върху продължителността на живота на литиево-йонните батерии, включително влошаване на качеството, причинено от излагане на топлина, както и от честото презареждане. Топлината ускорява деградацията, а честото презареждане я ускорява допълнително; литиево-йонните батерии никога не трябва да бъдат излагани на екстремни температури за продължителни периоди от време.

Съществуват различни видове литиево-йонни батерии, като всяка от тях има своите предимства и недостатъци. Вашето приложение, бюджет и допустими нива на безопасност ще ви помогнат да определите кой тип литиево-йонна батерия отговаря най-добре на нуждите ви. Четирите най-разпространени типа батерии включват LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 и литиево-полимерни батерии - всяка от тях предлага свой собствен различен химичен състав, като същевременно споделя основни принципи като използване на литиеви йони за съхраняване на електрическа енергия, защитени от изолационен слой за предпазване на електродите един от друг и защитени от аноден материал като LiCoO2; LiNMC използва комбинирани катоди от манган и никел, което предлага както висока специфична енергия, така и отлична стабилност - всяка от тях предлага висока специфична енергийна ефективност на достъпни цени!

4. Щадящ околната среда

Литиево-йонните батерии са незаменима технология за преминаване на транспортния и електроенергийния сектор от изкопаеми горива към възобновяеми енергийни източници. Дългият живот на батерията, високата енергийна плътност и възможността за бързо зареждане правят литиево-йонните батерии идеални за захранване на електрически превозни средства, електроинструменти или лаптопи, като същевременно повишават осведомеността на потребителите относно използването на енергия.

Литиево-йонните батерии могат да предлагат много екологични предимства, но тяхното производство и изхвърляне все още оказват въздействие върху околната среда. Литиево-йонните батерии съдържат запалим течен електролит, който при неправилно изхвърляне може да изхвърли токсични вещества в околната среда, застрашаващи качеството на почвата и водата; при неправилно изхвърляне те могат да предизвикат и пожари на сметищата и в съоръженията за рециклиране на батерии.

Производството на литиево-йонни батерии оставя огромен въглероден отпечатък поради добива и извличането на суровини от земята, като например добив на твърди скали, при който всеки тон добит материал отделя 15 тона CO2. Освен това добивът на тези минерали изисква огромни количества енергия, която идва главно от изгарянето на изкопаеми горива за целите на добива.

Добиваните компоненти на батериите, като литий, никел, кобалт, графит и алуминиево фолио, също произвеждат емисии на парникови газове, които допринасят за изменението на климата, а транспортирането и доставката им увеличават допълнително въглеродните емисии на нашата планета.

След като литиево-йонните батерии достигнат края на жизнения си цикъл, те се превръщат в електронни отпадъци (Е-отпадъци). За съжаление, много от тях не се рециклират правилно - често попадат в потоците от търговски отпадъци и в депата за отпадъци, където могат да бъдат неволно късо съединени или опасно разглобени, за да се съберат малки ценни части за събиране на реколта. Това често води до пожари, които допринасят допълнително за изменението на климата.

5. Възможност за рециклиране

Литиевите батерии съдържат и други метали, като никел, кобалт и мед, както и органични химикали и пластмаси, които при изхвърляне могат да доведат до изтичане на токсични вещества във водните пътища и да предизвикат пожари, когато се изхвърлят в центровете за третиране на отпадъци; Асоциацията за екологични услуги в Обединеното кралство съобщава за 250 пожара на батерии между 2019 и 2020 г. само в центровете за третиране на отпадъци! Освен това литиевите батерии представляват риск за безопасността при смачкване или пробиване - тези действия могат да доведат до късо съединение на катодите им, което да доведе до вътрешно горене - според Европейската конференция на рециклиращите стомани 90% от тези пожари са причинени от малки литиеви батерии!

Актуалните статистически данни показват, че само около пет процента от батериите в света се рециклират; много от тях просто се изхвърлят или се изпращат директно на сметищата. Една от причините за това може да бъде сложният им състав, като например литиево-йонните батерии, които обикновено съдържат 22% кобалт, 5-10% никел и 5-7% литий; освен това в тях може да има 15% органични химикали и 7% пластмаси.

Въпреки че рециклирането на литиеви батерии е технически възможно, процесът е скъп и отнема много време, да не говорим за неефективността му.Специалист по съхранение на енергия обяснява, че за да бъдат наистина ефективни, те изискват суровини с висока чистота, с каквито в момента не разполагаме.

PNNL е разработила новаторски процес, който включва раздробяване и стриване на прах на излезли от употреба батерии, като важна стъпка към поевтиняване на рециклирането на литиеви батерии. Използването на хидрометалургични и пирометалургични техники за извличане на метали в старите батерии с цел използването им като суровина за нови батерии би могло в крайна сметка да намали търсенето на редкоземни минерали или метали, които в бъдеще може да се сблъскат с ограничения в доставките.

В същността си кръговратът на материалите се отнася до създаването на безкраен цикъл, при който батериите започват своя път от първото си използване в електромобил, след което се рециклират и се връщат в производствените процеси.