Lithiové baterie se hojně používají v přenosné spotřební elektronice (telefony a notebooky), hybridních automobilech a elektromobilech díky své vysoké energetické hustotě, která jim umožňuje akumulovat značné množství energie, a to i přes jejich kompaktní rozměry a nízkou hmotnost.
Každý článek baterie obsahuje kladné katody, anody na bázi grafitu a mezi nimi elektrolytický roztok; jejich složitý chemický proces spočívá v pohybu lithiumových iontů a elektronů tam a zpět v tomto roztoku.
Jak fungují?
Lithium-iontové baterie jsou nedílnou součástí moderní elektroniky a elektromobilů; lze je opakovaně nabíjet a vybíjet, aniž by docházelo ke ztrátě energie. Jejich složení zahrnuje částice uhlíku nebo grafitu suspendované v roztocích oxidů kovů a lithiových solí, které tvoří elektrolyt sloužící k výrobě proudu. Po skončení životnosti lze lithiové baterie rozebrat za účelem recyklace, přičemž přibližně 80 procent jejich součástí zůstává recyklovatelných.
Lithium-iontové baterie si získaly obrovskou oblibu díky své vynikající energetické hustotě; tyto články mají třikrát až čtyřikrát vyšší energetickou hustotu než olověné baterie, rychle se nabíjejí a dokážou si udržet nabití i po několika dnech či týdnech nepoužívání, což z nich činí ideální volbu pro elektrické nářadí, notebooky a další mobilní zařízení.
Lithiové ionty, které se přes elektrolyt přesouvají z anody na katodu, se pohybují interkalačním mechanismem; během nabíjení se fyzicky vkládají mezi 2D vrstvy grafenu v anodě, kde dochází k interkalaci. Po vybití dochází k podobnému procesu, avšak elektrony uvolněné při reakcích s oxidy kovů se vrací zpět a spojují se s grafitem v anodě, čímž vznikají lithiované uhlíkové sloučeniny.
Výrobci začali na počátku 90. let přecházet na lithium jako zdroj akumulace energie, protože materiály potřebné pro nikl-kadmiové (NiCad) nebo nikl-metalhydridové (NiMH) baterie byly dražší a vzácnější. Lithium navíc umožňuje větší počet nabíjecích a vybíjecích cyklů.
Lithiové autobaterie představují značné nebezpečí: tepelné vymknutí. K tomu dochází, když se baterie v důsledku přebíjení, zkratu nebo jiných faktorů přehřejí, což vede k rozpadu anodového povlaku a úniku elektrolytu – což může způsobit vznik požáru nebo uvolnění toxických plynů. Pro dosažení optimálních výsledků nakupujte od spolehlivých výrobců, kteří dodržují vysoké standardy bezpečnosti a trvanlivosti.
Jaké jsou hlavní součásti?
Lithiové baterie fungují na principu přenosu lithiových iontů mezi dvěma elektrodami – kladnou katodou a zápornou anodou – prostřednictvím elektrolytického roztoku, čímž poskytují spolehlivý zdroj energie pro přenosná elektronická zařízení, nouzové záložní systémy a dokonce i amatérská rádia. Díky nízké míře samovybíjení jsou lithiové baterie ideální také pro dlouhodobé skladování, například v odlehlých oblastech bez připojení k elektrické síti.
Výkon lithiových baterií do značné míry závisí na materiálech použitých pro jejich elektrody a elektrolyt. Anody se obvykle skládají z grafitu, zatímco katody jsou většinou tvořeny oxidy lithia, jako je oxid kobaltu nebo fosforečnan železa; elektrolyt složený z lithiových solí rozpuštěných v organickém rozpouštědle usnadňuje tok iontů mezi elektrodami za účelem nabíjení a skladování energie – čímž vznikají schopnosti výroby a skladování elektřiny, které jsou ideální pro elektromobily a další aplikace. Díky této kombinaci dosahují lithiové baterie vysoké energetické hustoty v extrémně kompaktním a lehkém provedení, což z nich činí vynikající volbu pro aplikace, jako je nabíjení elektromobilů nebo akumulace energie, například v elektrických fosfátových bateriích.
Analytické testování je při výrobě lithiových baterií nezbytné k zajištění toho, aby jejich bezpečnost a kapacita nebyly narušeny nečistotami, jako je například železo. Železo může bránit elektrochemickým reakcím mezi anodou a katodou a zkrátit životnost baterie; navíc voda – která je do určité míry přítomna ve všech elektrolytech baterií – může životnost zkrátit tím, že zvyšuje korozi a způsobuje zkraty.
Lithium-iontové baterie byly vyvinuty s ohledem na bezpečnost a při startování automobilů se spalovacím motorem jsou zpravidla mnohem bezpečnější než jejich olověné protějšky. Důvodem je částečně to, že lithiové baterie jsou méně náchylné k uvolňování plynů, které by při nesprávné manipulaci mohly vést k požárům nebo výbuchům, přičemž moderní lithiové baterie jsou navíc vybaveny bezpečnostními ventily a zařízeními pro přerušení proudu, která se aktivují v případě nadměrného tepla, tlaku nebo chemické degradace.
Suroviny potřebné pro výrobu lithiových baterií jsou hojné a celosvětově široce dostupné, i když jejich koncentrace v některých producentských zemích představuje určitá rizika. Například Demokratická republika Kongo v současné době produkuje většinu kobaltu pro uspokojení dynamické poptávky výrobců lithiových baterií; její dodávky by však mohly být ovlivněny i současným vývojem v oblasti chemie a technologie bateriových článků, který snižuje potřebu kobaltových katod nebo dokonce zcela eliminuje jejich nutnost.
Jakým způsobem účtují poplatky?
Lithium-iontové baterie hrají v našem každodenním životě klíčovou roli – notebooky, mobilní telefony i elektromobily jsou na nich závislé, pokud jde o napájení. Díky jejich nízké hmotnosti, vysoké energetické hustotě a snadnému nabíjení se stala elektromobily realitou; lithiové baterie však s sebou nesou i rizika; nesprávné nabíjení může způsobit jejich přehřátí a vznik požáru – proto je nezbytné, aby lidé rozuměli správnému způsobu nabíjení lithiových baterií, aby je mohli bezpečně používat.
Každá baterie se skládá ze stovek či dokonce tisíců mírně kašovitých lithium-iontových elektrochemických článků, které jsou hustě uspořádány vedle sebe a drženy pohromadě kapalnými elektrolytickými roztoky. Tyto články mají obvykle tvar válců nebo sáčků s kladnými katodami (často tvořenými oxidy kovů, jako je nikl, manganu a kobaltu), které jsou pomocí vodičů propojeny s negativně nabitými grafitovými anodami prostřednictvím volně vázaných vnějších elektronů na jejich lithiových iontech. Tyto elektrony umožňují vzájemný kontakt mezi elektrodami, což vede k chemické reakci, při níž se elektrická energie ukládá jako chemická energie (i když s určitými ztrátami způsobenými nízkou coulombovou účinností pod hodnotou jedna).
Nabíječky lithiových baterií fungují tak, že zvyšují systémové napětí nad úroveň napětí baterie, aby do ní dodaly elektřinu, přičemž systém BMS zajišťuje, že nedojde k žádným škodlivým jevům; je také třeba se vyvarovat rychlého nabíjení, protože může způsobit přehřátí katod a zkrátit životnost baterie.
Účinný způsob nabíjení lithiových baterií spočívá v přivádění konstantního proudu, dokud nedosáhnou napětí 4,2 voltů na článek, a následném postupném snižování proudu až do dosažení 3 procent kapacity, po čemž se nabíjení vypne. Tento proces se nazývá udržovací nabíjení.
Pečlivě sledujte teplotu baterie, abyste prodloužili její životnost a zabránili předčasnému uvolňování plynů v důsledku chemického rozkladu. Proto je vhodné udržovat stálou teplotu okolí při skladování lithiových baterií venku v nevytápěném nebo chladném prostředí.
Jak se vybíjejí?
Lithiové baterie ukládají energii ve formě lithiových iontů, které se pohybují mezi elektrodami (kladnou katodou a zápornou anodou) prostřednictvím kapalného elektrolytu. Při nabíjení přivádí externí zdroj napájení přepětí na každý článek lithium-iontové baterie, čímž vynutí přesun elektronů z jedné elektrody na druhou přes elektrolyt – tento proces přenosu umožňuje nabíjení, protože k přenosu může docházet v obou směrech – což uživatelům usnadňuje měření kapacity a napětí. Výpočty napětí a kapacity závisí na počtu článků i na tom, jak jsou konfigurovány;
Lithium-iontové baterie využívají mechanismus iontové výměny, který umožňuje vysokou kapacitu akumulace energie na jednotku objemu a hmotnosti, čímž dosahují vysoké energetické hustoty a výkonové hustoty – díky těmto vlastnostem jsou velmi žádanou technologií v elektromobilech, které k pohybu vpřed potřebují velké množství energie. Díky rychlému dobíjení a vysoké vybíjecí rychlosti jsou také vhodné pro aplikace, které vyžadují krátkodobé výboje energie, jako jsou například aplikace s krátkodobými proudovými špičkami.
Životnost lithium-iontových baterií závisí na jejich schopnosti nabíjet se a vybíjet v průběhu času, stejně jako na jejich výkonu při extrémních teplotách. V průběhu času se jejich kapacita snižuje v důsledku eroze anody, odpařování elektrolytu a zvyšování vnitřního odporu – tento postupný úbytek se označuje jako samovybíjení, kterému lze zabránit snížením rychlosti nabíjení, omezením hloubky vybití nebo zamezením vystavení extrémním podmínkám.
K výrobě lithium-iontové baterie je nejprve nutné vytěžit, rozdrtit a rozemlít surovinu, jako je beta-spodumen. Poté musí být surovina zpracována kyselinou sírovou, aby vznikl roztok síranu lithného, který lze následně vyčistit pomocí různých technik. Tento proces obvykle zahrnuje srážení, iontovou výměnu a extrakci rozpouštědlem za účelem odstranění nečistot z roztoku. Jakmile je izolován čistý síran lithný, lze jej chemickými reakcemi přeměnit na uhličitan lithný nebo hydroxid lithný. Tímto krokem se baterie připraví pro použití v automobilovém průmyslu. Lithium-iontová baterie obsahuje hořlavý kapalný elektrolyt, s nímž je třeba zacházet opatrně, aby byli chráněni jak řidič, tak cestující ve vozidle.