Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούν βασική τεχνολογία για τη μετάβαση στην καθαρή ενέργεια

Οι μπαταρίες λιθίου αποθηκεύουν αποτελεσματικά την ενέργεια, γεγονός που τις καθιστά εξαιρετική επιλογή για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα ή οχήματα αναψυχής. Οι μπαταρίες λιθίου διατηρούν επίσης εξαιρετικά υψηλό επίπεδο φόρτισης με την πάροδο του χρόνου.

Καθώς τα ιόντα λιθίου ρέουν από την άνοδο στην κάθοδο μέσω του ηλεκτρολύτη, τα δημοφιλή υλικά ανόδου περιλαμβάνουν άνθρακα και πυρίτιο- οι κάθοδοι αποτελούνται από οξείδια μετάλλων, όπως σπινέλιο, νικέλιο, κοβάλτιο, μαγγάνιο ή φωσφορικό λίθιο σιδήρου ως κάθοδοι.

1. Αποθήκευση ενέργειας

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είχαν έναν από τους μεγαλύτερους αντίκτυπους στην πρόσφατη ιστορία- άνοιξαν το δρόμο για την επανάσταση της ηλεκτρονικής κινητικότητας και τώρα χρησιμεύουν ως βασικοί παράγοντες για τη μετάβαση στην καθαρή ενέργεια. Η χρήση τους τροφοδοτεί ένα συνεχώς διευρυνόμενο φάσμα φορητών ηλεκτρονικών συσκευών - φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα, ηλεκτρικά αυτοκίνητα/υβριδικά συστήματα σύνδεσης/συστήματα οικιακής αποθήκευσης ενέργειας κ.λπ.

Οι μπαταρίες αποτελούνται από πέντε βασικά στοιχεία: άνοδο, κάθοδο, διαχωριστή μεταξύ των ηλεκτροδίων, διάλυμα ηλεκτρολύτη που μεταφέρει ιόντα λιθίου μέσω ηλεκτρόλυσης και συλλέκτες ρεύματος από χαλκό και αλουμίνιο για τη σύνδεση με καλώδια. Κατά τη φόρτιση, μια εξωτερική πηγή ενέργειας εφαρμόζει μια τάση υπέρτασης η οποία αναγκάζει τα ηλεκτρόνια από τα θετικά ηλεκτρόδια προς τα αρνητικά ηλεκτρόδια και μεταφέρει ιόντα λιθίου μεταξύ ανόδου και καθόδου μέσω ηλεκτρόλυσης- όταν η εκφόρτιση συμβαίνει αντίστροφα: τα ιόντα λιθίου εγκαταλείπουν ένα ηλεκτρόδιο και παρεμβάλλονται μεταξύ των ηλεκτροδίων, ενώ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ρέουν έξω μέσω καλωδίων παρέχοντας ρεύμα που τροφοδοτεί τις συσκευές μας.

Μια άνοδος μπορεί να αποτελείται από διάφορα υλικά, αλλά ο γραφίτης και το οξείδιο του λιθίου-κοβαλτίου είναι δύο από τα πιο δημοφιλή υλικά ανόδου. Οι κάθοδοι αποτελούνται συνήθως από μέταλλα όπως το νικέλιο-κοβάλτιο-αλουμίνιο ή το φωσφορικό σίδηρο λιθίου- η χημική τους σύσταση καθορίζει τελικά την απόδοση της μπαταρίας: για παράδειγμα, το νικέλιο-κοβάλτιο-αλουμίνιο παρέχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, ενώ το φωσφορικό σίδηρο λιθίου μπορεί να είναι πιο αποδοτικό από άποψη κόστους.

Επί του παρόντος, το μεγαλύτερο μέρος του κόστους παραγωγής LiB αφιερώνεται στην κατασκευή ηλεκτροδίων και στο φινίρισμα των κυττάρων - δύο διαδικασίες που είναι από τις πιο χρονοβόρες και ενεργοβόρες- χρησιμοποιούν συνολικά περίπου 40% χωρητικότητας μπαταρίας. Ωστόσο, με τη μείωση του κόστους των πρώτων υλών και την επέκταση της παραγωγικής ικανότητας, οι τιμές του LiB θα συνεχίσουν να μειώνονται με την πάροδο του χρόνου.

2. Ασφάλεια

Λόγω του εύφλεκτου υγρού ηλεκτρολύτη τους, οι λανθασμένα σχεδιασμένες και κατασκευασμένες μπαταρίες λιθίου συνιστούν κίνδυνο για την ασφάλεια όταν καταστραφούν ή φορτιστούν εσφαλμένα, οδηγώντας ενδεχομένως σε πυρκαγιές ή εκρήξεις. Η τεχνολογία ιόντων λιθίου χρησιμοποιείται επίσης για τη δημιουργία μπαταριών στερεάς κατάστασης χωρίς ηλεκτρολύτη.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου ξεχωρίζουν μεταξύ των τύπων επαναφορτιζόμενων μπαταριών με εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, που σημαίνει ότι μικρότερα στοιχεία μπορούν να παρέχουν την ίδια ποσότητα ενέργειας με τις μεγαλύτερες μπαταρίες - ιδανικές για φορητές συσκευές όπως τηλέφωνα και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, ηλεκτρικά οχήματα, οχήματα αναψυχής και άλλα που απαιτούν αποδοτική ενέργεια, παραμένοντας ταυτόχρονα ελαφρές.

Αυτό το είδος μπαταρίας ξεχωρίζει ως κύριο πλεονέκτημά της από το γεγονός ότι δεν πάσχει από το φαινόμενο της μνήμης- επομένως, μπορείτε να χρησιμοποιείτε την πλήρη χωρητικότητά της χωρίς να ανησυχείτε ότι θα γίνει λιγότερο αποδοτική με την πάροδο του χρόνου. Ωστόσο, σημειώστε ότι η χημεία της δεν ανέχεται πολύ καλά τη θερμότητα, οπότε η αποθήκευση σε υψηλότερες θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσει ανεπανόρθωτη βλάβη.

Ως εκ τούτου, είναι ζωτικής σημασίας να διαβάσετε προσεκτικά το εγχειρίδιο χρήσης της μπαταρίας σας, προκειμένου να γνωρίζετε πώς να τη φροντίζετε καλύτερα και να παρατείνετε τη διάρκεια ζωής της. Σε γενικές γραμμές, διατηρώντας την δροσερή και μην την υπερφορτίζετε, θα μεγιστοποιήσετε τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και θα εξασφαλίσετε τη βέλτιστη απόδοση.

3. Ελαφρύ

Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου και αργότερα νικελίου-υδριδίου μετάλλου ήταν η συνήθης επιλογή για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, από κινητά τηλέφωνα έως φορητούς υπολογιστές, για πάνω από 100 χρόνια, έως ότου η τεχνολογία ιόντων λιθίου εμφανίστηκε ως εναλλακτική τεχνολογία στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Τα στοιχεία ιόντων λιθίου είναι ελαφρύτερα και ισχυρότερα από τους προκατόχους τους, ενώ διαθέτουν διπλάσια ενεργειακή πυκνότητα, καθώς και δυνατότητα φόρτισης/εκφόρτισης στα 3,6 V, επιτρέποντας τον σχεδιασμό συστοιχιών μπαταριών με ένα μόνο στοιχείο.

Οι μπαταρίες λιθίου βρίσκονται σε φορητούς υπολογιστές, ηλεκτρικά οχήματα και ασύρματα ηλεκτρικά εργαλεία. Οι μπαταρίες λιθίου αποτελούν εξαιρετικές λύσεις αποθήκευσης ηλιακής ενέργειας, καθώς φορτίζουν και εκφορτίζονται γρήγορα - αποτελούν επίσης εξαιρετικές λύσεις εφεδρικής τροφοδοσίας, όπως συστήματα UPS ή παροχές ρεύματος έκτακτης ανάγκης.

Η θερμοκρασία και τα πρότυπα χρήσης έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη διάρκεια ζωής των μπαταριών ιόντων λιθίου, συμπεριλαμβανομένης της υποβάθμισης που προκαλείται από την έκθεση στη θερμότητα καθώς και από τη συχνή υπερφόρτιση. Η θερμότητα επιταχύνει την υποβάθμιση, ενώ η συχνή υπερφόρτιση την επισπεύδει περαιτέρω- οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν πρέπει ποτέ να εκτίθενται σε ακραίες θερμοκρασίες για παρατεταμένες περιόδους.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι μπαταριών ιόντων λιθίου, καθένας από τους οποίους προσφέρει το δικό του σύνολο πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων. Η εφαρμογή σας, ο προϋπολογισμός σας και η ανοχή στην ασφάλεια θα σας βοηθήσουν να καθορίσετε ποιος τύπος μπαταρίας λιθίου ανταποκρίνεται καλύτερα στις ανάγκες σας. Οι τέσσερις πιο διαδεδομένοι τύποι μπαταριών περιλαμβάνουν τις μπαταρίες LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 και πολυμερών λιθίου - η καθεμία προσφέρει τη δική της ξεχωριστή χημεία, ενώ μοιράζεται θεμελιώδη στοιχεία όπως η χρήση ιόντων λιθίου για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, που προστατεύονται από ένα μονωτικό στρώμα για την προστασία των ηλεκτροδίων μεταξύ τους και προστατεύονται από ένα υλικό ανόδου όπως η LiCoO2. Η LiNMC χρησιμοποιεί συνδυασμένες καθόδους μαγγανίου και νικελίου, η οποία προσφέρει τόσο υψηλή ειδική ενέργεια όσο και εξαιρετική σταθερότητα - η καθεμία προσφέρει υψηλή απόδοση ειδικής ενέργειας σε προσιτό κόστος!

4. Φιλικό προς το περιβάλλον

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι μια απαραίτητη τεχνολογία για τη μετάβαση των τομέων των μεταφορών και της ηλεκτρικής ενέργειας από τα ορυκτά καύσιμα στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και η δυνατότητα ταχείας φόρτισης καθιστούν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου ιδανικές για την τροφοδοσία ηλεκτρικών οχημάτων, ηλεκτρικών εργαλείων ή φορητών υπολογιστών, ενώ παράλληλα αυξάνουν την ευαισθητοποίηση των καταναλωτών σχετικά με τη χρήση ενέργειας.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορεί να προσφέρουν πολλά περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα, ωστόσο η παραγωγή και η διάθεσή τους εξακολουθούν να προκαλούν περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου περιέχουν εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη, ο οποίος, αν δεν απορριφθεί σωστά, θα μπορούσε να απελευθερώσει τοξικές ουσίες στο περιβάλλον που απειλούν την ποιότητα του εδάφους και των υδάτων- όταν απορρίπτονται εσφαλμένα, θα μπορούσαν επίσης να προκαλέσουν πυρκαγιές σε χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων και σε εγκαταστάσεις ανακύκλωσης μπαταριών.

Η παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου αφήνει ένα τεράστιο αποτύπωμα άνθρακα λόγω της εξόρυξης και της εξόρυξης των πρώτων υλών τους από τη γη, όπως η εξόρυξη σκληρών πετρωμάτων, για κάθε τόνο που εξάγεται απελευθερώνονται 15 τόνοι CO2. Επιπλέον, η εξόρυξη αυτών των ορυκτών απαιτεί τεράστιες ποσότητες ενέργειας που προέρχονται κυρίως από την καύση ορυκτών καυσίμων για τους σκοπούς της εξόρυξης.

Τα εξαρτήματα των μπαταριών που εξορύσσονται, όπως το λίθιο, το νικέλιο, το κοβάλτιο, ο γραφίτης και το φύλλο αλουμινίου, παράγουν επίσης εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου που συμβάλλουν στην κλιματική αλλαγή, ενώ η μεταφορά και η παράδοσή τους προσθέτουν περαιτέρω εκπομπές άνθρακα στο αποτύπωμα άνθρακα του πλανήτη μας.

Μόλις οι μπαταρίες ιόντων λιθίου φτάσουν στο τέλος της διάρκειας ζωής τους, μετατρέπονται σε ηλεκτρονικά απόβλητα. Δυστυχώς, πολλές από αυτές δεν ανακυκλώνονται σωστά - συχνά καταλήγουν σε εμπορικά ρεύματα αποβλήτων και σε χωματερές, όπου μπορεί να βραχυκυκλωθούν κατά λάθος ή να αποσυναρμολογηθούν με επικίνδυνο τρόπο για τη συλλογή μικρών πολύτιμων τμημάτων για σκοπούς συγκομιδής. Αυτό συχνά οδηγεί σε πυρκαγιές, οι οποίες συμβάλλουν περαιτέρω στην κλιματική αλλαγή.

5. Ανακυκλώσιμα

Οι μπαταρίες λιθίου περιέχουν επίσης άλλα μέταλλα, όπως νικέλιο, κοβάλτιο και χαλκό, καθώς και οργανικές χημικές ουσίες και πλαστικά, τα οποία, όταν απορρίπτονται, μπορεί να διαρρεύσουν τοξικά λύματα σε υδάτινες οδούς και να προκαλέσουν πυρκαγιές όταν απορρίπτονται σε κέντρα επεξεργασίας αποβλήτων. Η Ένωση Περιβαλλοντικών Υπηρεσιών του Ηνωμένου Βασιλείου ανέφερε 250 πυρκαγιές μπαταριών μεταξύ 2019 και 2020 μόνο σε κέντρα επεξεργασίας αποβλήτων! Επιπλέον, οι μπαταρίες λιθίου παρουσιάζουν κινδύνους για την ασφάλεια όταν συνθλίβονται ή τρυπούνται - οι ενέργειες αυτές μπορεί να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα στις καθόδους τους, οδηγώντας σε εσωτερική καύση - σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό Συνέδριο Ανακύκλωσης Χάλυβα 90% από αυτές τις πυρκαγιές προκλήθηκαν από μικρές μπαταρίες λιθίου!

Οι τρέχουσες στατιστικές αποκαλύπτουν ότι μόνο περίπου το πέντε τοις εκατό των μπαταριών παγκοσμίως ανακυκλώνεται- πολλές απλώς πετιούνται ή στέλνονται απευθείας σε χωματερές. Ένας λόγος μπορεί να είναι η πολύπλοκη σύνθεσή τους, όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που περιέχουν συνήθως 22% κοβάλτιο, 5-10% νικέλιο και 5-7% λίθιο- επιπλέον, μπορεί να περιέχουν 15% οργανικές χημικές ουσίες και 7% πλαστικά.

Παρόλο που η ανακύκλωση των μπαταριών λιθίου είναι τεχνικά δυνατή, η διαδικασία είναι δαπανηρή και χρονοβόρα, για να μην αναφέρουμε την αναποτελεσματικότητα- ένας ειδικός στην αποθήκευση ενέργειας εξηγεί ότι για να είναι πραγματικά αποτελεσματική απαιτείται πρώτη ύλη υψηλής καθαρότητας, την οποία προς το παρόν δεν διαθέτουμε.

Το PNNL έχει αναπτύξει μια πρωτοποριακή διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει τον τεμαχισμό και την κονιορτοποίηση των μπαταριών EOL σε σκόνη, ως ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της φθηνότερης ανακύκλωσης των μπαταριών λιθίου. Η χρήση υδρομεταλλουργικών και πυρομεταλλουργικών τεχνικών για την ανάκτηση μετάλλων σε παλιές μπαταρίες για χρήση ως πρώτη ύλη για νέες μπαταρίες θα μπορούσε τελικά να μειώσει τη ζήτηση για σπάνια ορυκτά ή μέταλλα που μπορεί να αντιμετωπίσουν περιορισμούς στην προσφορά στο μέλλον.

Στον πυρήνα της, η κυκλικότητα των υλικών αναφέρεται στη δημιουργία ενός ατελείωτου κύκλου, σύμφωνα με τον οποίο οι μπαταρίες ξεκινούν το ταξίδι τους από την πρώτη χρήση τους σε ένα ηλεκτρικό όχημα πριν ανακυκλωθούν και επανέλθουν σε διαδικασίες παραγωγής.