Lithium-iontové baterie jsou klíčovou technologií pro přechod na čistou energii

Lithiové baterie účinně uchovávají energii, takže jsou vynikající volbou pro použití v elektrických nebo rekreačních vozidlech. Lithiové baterie si také dlouhodobě udržují mimořádně vysokou úroveň nabití.

Protože ionty lithia proudí z anody do katody prostřednictvím elektrolytu, patří mezi oblíbené anodové materiály uhlík a křemík; katody se skládají z oxidů kovů, jako je spinel, kobalt-nikl-mangan nebo fosforečnan lithia a železa jako katody.

1. Skladování energie

Lithium-iontové baterie měly jeden z největších dopadů v nedávné historii; vydláždily cestu revoluci v e-mobilitě a nyní slouží jako klíčové nástroje pro přechod na čistou energii. Jejich použití pohání stále širší škálu spotřební přenosné elektroniky - přenosné počítače a mobilní telefony, elektromobily/zásuvkové hybridy/domácí systémy skladování energie atd.

Baterie se skládají z pěti základních prvků: anody, katody, separátoru mezi elektrodami, roztoku elektrolytu, který elektrolýzou přenáší ionty lithia, a proudových sběračů z mědi a hliníku pro připojení k vodičům. Při nabíjení přivádí externí zdroj energie přepětí, které vytlačuje elektrony z kladných elektrod směrem k záporným elektrodám a elektrolýzou pohání ionty lithia mezi anodou a katodou; při vybíjení probíhá opačně: ionty lithia opouštějí jednu elektrodu a interkalují se mezi elektrodami, zatímco volné elektrony proudí ven přes vodiče a poskytují proud, který napájí naše zařízení.

Anoda se může skládat z různých materiálů, ale grafit a oxid lithno-kobaltnatý jsou dva nejoblíbenější anodové materiály. Katody se obvykle skládají z kovů, jako je nikl-kobalt-hliník nebo lithium-železo-fosfát; jejich chemické složení nakonec určuje výkonnost baterie: například nikl-kobalt-hliník poskytuje delší životnost cyklu, zatímco lithium-železo-fosfát může být cenově výhodnější.

V současné době většina nákladů na výrobu LiB připadá na výrobu elektrod a konečnou úpravu článků, což jsou dva procesy, které patří k časově a energeticky nejnáročnějším; dohromady spotřebují přibližně 40% kapacity baterií. S klesajícími náklady na suroviny a rozšiřující se výrobní kapacitou by však ceny LiB měly časem dále klesat.

2. Bezpečnost

Nesprávně navržené a vyrobené lithiové baterie představují kvůli hořlavému kapalnému elektrolytu bezpečnostní riziko, pokud jsou poškozené nebo nesprávně nabité, což může vést k požáru nebo výbuchu. Na zdokonalení jejich konstrukce a výroby bylo vynaloženo mnoho úsilí, aby se toto riziko snížilo; lithium-iontová technologie se rovněž využívá k vytvoření pevných baterií zcela bez elektrolytu.

Lithium-iontové baterie se mezi dobíjecími bateriemi vyznačují extrémně vysokou hustotou energie, což znamená, že menší články mohou poskytnout stejné množství energie jako větší baterie - ideální pro přenosná zařízení, jako jsou telefony a digitální fotoaparáty, elektrická vozidla, rekreační vozidla a další zařízení, která vyžadují efektivní napájení při zachování nízké hmotnosti.

Hlavní výhodou tohoto typu baterie je, že netrpí paměťovým efektem, a proto můžete využívat její plnou kapacitu bez obav, že se časem stane méně účinnou. Mějte však na paměti, že její chemický složení nesnáší příliš dobře teplo, takže skladování při vyšších teplotách by mohlo způsobit nenapravitelné škody.

Proto je důležité pečlivě si přečíst návod k použití akumulátoru, abyste věděli, jak o něj nejlépe pečovat a prodloužit jeho životnost. Obecně platí, že udržování v chladu a nepřetěžování baterie maximalizuje její životnost a zajišťuje optimální výkon.

3. Lehké

Nikl-kadmiové a později nikl-metalhydridové baterie byly standardní volbou pro přenosnou elektroniku od mobilních telefonů po přenosné počítače po více než 100 let, dokud se na počátku 90. let neobjevila alternativní technologie lithium-iontových baterií. Lithium-iontové články jsou lehčí a výkonnější než jejich předchůdci, mají dvojnásobnou hustotu energie a jsou schopny nabíjení a vybíjení při napětí 3,6 V, což umožňuje navrhovat akumulátory s jedním článkem.

Lithiové baterie lze nalézt v přenosných počítačích, elektrických vozidlech a akumulátorovém elektrickém nářadí. Lithiové baterie jsou skvělým řešením pro skladování solární energie, protože se rychle nabíjejí a vybíjejí - jsou také skvělým řešením pro záložní napájení, jako jsou systémy UPS nebo nouzové zdroje napájení.

Na životnost lithium-iontových baterií má vliv teplota a způsob používání, včetně degradace způsobené působením tepla a častým přebíjením. Teplo degradaci urychluje, zatímco časté přebíjení ji dále urychluje; lithium-iontové baterie by nikdy neměly být dlouhodobě vystaveny extrémním teplotám.

Existují různé typy lithium-iontových baterií, z nichž každá má své výhody a nevýhody. Vaše aplikace, rozpočet a bezpečnostní tolerance pomohou určit, který typ lithiové baterie nejlépe vyhovuje vašim potřebám. Mezi čtyři nejrozšířenější typy baterií patří LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 a lithiumpolymerové baterie - každá z nich nabízí vlastní odlišné chemické složení, přičemž má společné základy, jako je použití iontů lithia k ukládání elektrické energie, ochrana izolační vrstvou, která chrání elektrody před vzájemným působením, a ochrana anodovým materiálem, jako je LiCoO2; LiNMC používá manganové a niklové kombinované katody, které nabízejí vysokou měrnou energii i vynikající stabilitu - každá z nich nabízí vysoký měrný energetický výkon za přijatelné náklady!

4. Šetrné k životnímu prostředí

Lithium-iontové baterie jsou nepostradatelnou technologií při přechodu od fosilních paliv k obnovitelným zdrojům energie. Díky své dlouhé životnosti, vysoké hustotě energie a schopnosti rychlého nabíjení jsou lithium-iontové baterie ideální pro napájení elektrických vozidel, elektrického nářadí nebo notebooků a zároveň zvyšují povědomí spotřebitelů o využívání energie.

Lithium-iontové baterie sice nabízejí mnoho výhod pro životní prostředí, ale jejich výroba a likvidace má stále dopad na životní prostředí. Lithium-iontové baterie obsahují hořlavý kapalný elektrolyt, který by se při nesprávné likvidaci mohl uvolňovat do životního prostředí a ohrožovat tak kvalitu půdy a vody; při nesprávné likvidaci by také mohl způsobit požár na skládkách a v zařízeních na recyklaci baterií.

Výroba lithium-iontových baterií zanechává obrovskou uhlíkovou stopu v důsledku těžby a získávání surovin ze země, například při těžbě tvrdých hornin se na každou vytěženou tunu uvolní 15 tun CO2. Těžba těchto nerostů navíc vyžaduje obrovské množství energie, která pochází především ze spalování fosilních paliv pro účely těžby.

Vytěžené součásti baterií, jako je lithium, nikl, kobalt, grafit a hliníková fólie, rovněž produkují emise skleníkových plynů, které přispívají ke změně klimatu, a jejich přeprava a dodávka dále zvyšují uhlíkovou stopu naší planety.

Jakmile lithium-iontové baterie dosáhnou konce své životnosti, stávají se elektronickým odpadem (e-odpadem). Bohužel mnohé z nich nejsou řádně recyklovány - často končí v komerčních odpadních tocích a na skládkách, kde mohou být neúmyslně zkratovány nebo nebezpečně rozebrány za účelem získání malých cenných částí pro sběrné účely. To často vede k požárům, které dále přispívají ke změně klimatu.

5. Recyklovatelné

Lithiové baterie obsahují také další kovy, jako je nikl, kobalt a měď, a organické chemikálie a plasty, které mohou při likvidaci unikat do vodních toků a při likvidaci ve střediscích pro zpracování odpadu způsobit požáry; britská Asociace environmentálních služeb zaznamenala jen v letech 2019-2020 250 požárů baterií ve střediscích pro zpracování odpadu! Lithiové baterie navíc představují bezpečnostní riziko při rozdrcení nebo propíchnutí - tyto činnosti mohou způsobit zkrat jejich katod, což vede k vnitřnímu vznícení - podle Evropské konference recyklátorů oceli bylo 90% těchto požárů způsobeno malými lithiovými bateriemi!

Podle současných statistik se celosvětově recykluje jen asi pět procent baterií; mnoho z nich se jednoduše vyhodí nebo se přímo uloží na skládku. Jedním z důvodů může být jejich složité složení, například lithium-iontové baterie, které obvykle obsahují 22% kobaltu, 5-10% niklu a 5-7% lithia; navíc v nich může být 15% organických chemikálií a 7% plastů.

Recyklace lithiových baterií je sice technicky možná, ale je drahá a časově náročná, nehledě na to, že je neefektivní; odborník na skladování energie vysvětluje, že aby byly skutečně účinné, vyžadují vysoce čisté suroviny, které v současné době nemáme.

Společnost PNNL vyvinula průlomový proces, který zahrnuje drcení a rozmělňování vyřazených baterií na prášek, což je důležitý krok ke zlevnění recyklace lithiových baterií. Využití hydrometalurgických a pyrometalurgických technik k získávání kovů ze starých baterií pro použití jako suroviny pro nové baterie by nakonec mohlo snížit poptávku po minerálech vzácných zemin nebo po kovech, jejichž dodávky mohou být v budoucnu omezeny.

Podstatou materiálové cirkulace je vytvoření nekonečného cyklu, v němž baterie začínají svou cestu od prvního použití v elektromobilu a poté jsou recyklovány a vráceny zpět do výrobních procesů.