Liitiumioonakud on puhta energia ülemineku võtmetehnoloogia

Liitiumakud salvestavad energiat tõhusalt, mistõttu on nad suurepärane valik kasutamiseks elektri- või vabaajasõidukites. Samuti säilitavad liitiumakud aja jooksul äärmiselt kõrge laetuse taseme.

Kuna liitiumioonid voolavad anoodilt katoodile elektrolüüdi kaudu, on populaarsed anoodimaterjalid süsinik ja räni; katoodid koosnevad metalloksiididest, nagu spinell, nikkel-kobalt-mangaan või liitium-raudafosfaat katoodidena.

1. Energiasalvestus

Liitium-ioonakud on avaldanud lähiajaloo üht suurimat mõju; nad on sillutanud teed elektromobiilsuse revolutsioonile ja on nüüd puhta energia ülemineku võtmeteguriks. Nende kasutamine annab energiat üha laiemale hulgale kaasaskantavale tarbeelektroonikale - sülearvutitele ja mobiiltelefonidele, elektriautodele/plug-in-hübriididele/koduse energiasalvestussüsteemidele jne.

Akud koosnevad viiest põhielemendist: anood, katood, elektroodide vaheline eraldaja, elektrolüüt, mis transpordib liitiumioone elektrolüüsi teel, ning vask- ja alumiiniumist valmistatud voolukollektorid juhtmetega ühendamiseks. Laadimise ajal rakendab väline energiaallikas ülepinget, mis sunnib elektrone positiivsetelt elektroodidelt negatiivsete elektroodide poole ja viib liitiumioonid elektrolüüsi teel anoodi ja katoodi vahele; tühjenemisel toimub see vastupidi: liitiumioonid lahkuvad ühest elektroodist ja interkaleeruvad elektroodide vahele, samal ajal kui vabad elektronid voolavad juhtmete kaudu välja, andes voolu, mis toidab meie seadmeid.

Anood võib koosneda erinevatest materjalidest, kuid grafiit ja liitiumkoobaltoksiid on kaks populaarsemat anoodimaterjali. Katoodid koosnevad tavaliselt metallidest, näiteks nikkel-kobalt-alumiiniumist või liitium-raudfosfaadist; nende keemiline koostis määrab lõppkokkuvõttes aku jõudluse: näiteks nikkel-kobalt-alumiinium tagab pikema tsükli kestuse, samas kui liitium-raudfosfaat võib olla kuluefektiivsem.

Praegu kulub suurem osa LiB tootmise kuludest elektroodide tootmisele ja rakkude viimistlusele - kaks kõige aja- ja energiamahukamat protsessi, mis kokku kulutavad umbes 40% aku mahutavusest. Kuna toorainekulud langevad ja tootmisvõimsus suureneb, peaksid LiB-hinnad aja jooksul siiski jätkuvalt langema.

2. Ohutus

Vääralt projekteeritud ja toodetud liitiumpatareid kujutavad oma tuleohtliku vedela elektrolüüdi tõttu kahjustatud või valesti laetud akude puhul ohtu, mis võib põhjustada tulekahjusid või plahvatusi. Selle ohu vähendamiseks on tehtud palju tööd nende konstruktsiooni ja valmistamise täiustamiseks; liitiumioontehnoloogiat kasutatakse ka tahkete akude loomiseks, mis ei sisalda üldse elektrolüüdi.

Liitiumioonakud paistavad akutüüpide seast silma äärmiselt suure energiatihedusega, mis tähendab, et väiksemad elemendid suudavad anda sama palju energiat kui suuremad akud - see on ideaalne kaasaskantavate seadmete, näiteks telefonide ja digikaamerate, elektrisõidukite, vabaajasõidukite ja muude seadmete jaoks, mis vajavad tõhusat energiat, kuid samas on kerged.

Seda tüüpi aku peamiseks eeliseks on see, et selle puhul ei esine mäluefekti; seetõttu saate kasutada selle täielikku mahtu, ilma et peaksite muretsema, et selle tõhusus aja jooksul väheneb. Pange aga tähele, et selle keemiline koostis ei talu väga hästi kuumust, seega võib kõrgemal temperatuuril ladustamine põhjustada parandamatuid kahjustusi.

Seetõttu on väga oluline lugeda hoolikalt aku kasutusjuhendit, et teada saada, kuidas aku eest kõige paremini hoolitseda ja selle kasutusiga pikendada. Üldiselt aitab aku eluiga maksimeerida ja tagada optimaalse jõudluse, kui seda jahedas hoida ja mitte üle laadida.

3. Kerge

Nikkel-kadmium- ja hiljem nikkel-metallhüdriidakud olid üle 100 aasta standardvalik kaasaskantavas elektroonikas alates mobiiltelefonidest kuni sülearvutiteni, kuni 1990ndate alguses tekkis alternatiivse tehnoloogiana liitium-ioonakud. Liitium-ioonakud on oma eelkäijatest kergemad ja võimsamad, samas on neil kahekordne energiatihedus ning nad on võimelised laadima/laadima 3,6 V juures, mis võimaldab konstrueerida vaid ühe elemendiga akupakette.

Liitiumakusid võib leida sülearvutites, elektrisõidukites ja juhtmeta elektritööriistades. Liitiumakud sobivad suurepäraselt päikeseenergia salvestamiseks, kuna nad laadivad ja tühjenevad kiiresti - nad sobivad ka suurepäraseks varutoitelahenduseks, näiteks UPS-süsteemidesse või hädaolukorra toiteallikatesse.

Temperatuur ja kasutusviisid mõjutavad oluliselt liitium-ioonakude kasutusiga, sealhulgas lagunemine, mis on tingitud nii kuumusest kui ka sagedasest ülelaadimisest. Kuumus kiirendab lagunemist, samas kui sage ülelaadimine kiirendab seda veelgi; liitiumioonakusid ei tohiks kunagi pikema aja jooksul äärmuslikele temperatuuridele kokku puutuda.

On olemas erinevaid liitiumioonakusid, millest igaühel on oma eelised ja puudused. Teie rakendus, eelarve ja ohutustolerants aitavad määrata, milline liitiumaku tüüp vastab teie vajadustele kõige paremini. Neli kõige levinumat akutüüpi on LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 ja liitiumpolümeerakud - igaüks neist pakub oma erinevat keemiat, kuid jagab samas selliseid põhitõdesid nagu liitiumioonide kasutamine elektrienergia salvestamiseks, mis on kaitstud isoleeriva kihiga, et kaitsta elektroode üksteise eest, ja kaitstud anoodimaterjaliga nagu LiCoO2; LiNMC kasutab mangaani ja nikli kombineeritud katoode, mis pakub nii suurt spetsiifilist energiat kui ka suurepärast stabiilsust - igaüks neist pakub suurt spetsiifilist energiat jõudlust taskukohaste kuludega!

4. Keskkonnasõbralik

Liitiumioonakud on hädavajalik tehnoloogia meie transpordi- ja elektrisektori üleminekul fossiilkütustelt taastuvatele energiaallikatele. Tänu akude pikale elueale, suurele energiatihedusele ja kiirlaadimisvõimele sobivad liitiumioonakud ideaalselt elektrisõidukite, elektriliste tööriistade või sülearvutite toitmiseks, suurendades samal ajal tarbijate teadlikkust energiakasutuse kohta.

Liitiumioonakud võivad pakkuda palju keskkonnaalaseid eeliseid, kuid nende tootmine ja kõrvaldamine on siiski keskkonnamõjuga. Liitiumioonakud sisaldavad tuleohtlikku vedelat elektrolüüdi, mis võib ebaõigesti kõrvaldamisel keskkonda paisata mürgiseid aineid, mis ohustavad pinnase ja vee kvaliteeti; ebaõigesti kõrvaldamisel võivad need ka prügilates ja akude ümbertöötlemiskohtades tulekahjusid tekitada.

Liitium-ioonakude tootmine jätab tohutu süsiniku jalajälje, kuna nende tooraine kaevandamine ja kaevandamine maapõuest, näiteks kõva kivimi kaevandamine iga kaevandatud tonni kohta vabastab 15 tonni CO2. Lisaks nõuab nende mineraalide kaevandamine tohutuid energiakoguseid, mis pärinevad peamiselt fossiilsete kütuste põletamisest kaevandamise eesmärgil.

Kaevandatud akukomponendid, nagu liitium, nikkel, koobalt, grafiit ja alumiiniumfoolium, tekitavad samuti kasvuhoonegaaside heitkoguseid, mis aitavad kaasa kliimamuutustele, samas kui nende transport ja tarnimine suurendavad meie planeedi süsinikujalajälge veelgi.

Kui liitiumioonakud jõuavad oma eluea lõppu, muutuvad need elektroonikajäätmeteks (e-jäätmeteks). Kahjuks ei ole paljud neist nõuetekohaselt ringlusse võetud - sageli satuvad nad kaubanduslikesse jäätmevoogudesse ja prügilatesse, kus neid võidakse tahtmatult lühistada või ohtlikult lahti võtta, et korjata väärtuslikke väikesi osi saagikoristuse eesmärgil. See viib sageli tulekahjude tekkimiseni, mis aitavad veelgi kaasa kliimamuutustele.

5. Taaskasutatav

Liitiumpatareid sisaldavad ka muid metalle, nagu nikkel, koobalt ja vask, samuti orgaanilisi kemikaale ja plastikuid, mis võivad äraviskamisel lekkida mürgiseid heitvesi veekogudesse ja põhjustada tulekahjusid, kui need visatakse ära jäätmekäitluskeskustes; Ühendkuningriigi keskkonnateenuste liit teatas 250 patareipõlengust ainuüksi aastatel 2019-2020 jäätmekäitluskeskustes! Lisaks sellele kujutavad liitiumpatareid purustamisel või läbitorkamisel endast ohutusriski - need toimingud võivad nende katoode lühistada, mis viib sisemise põlemiseni - Euroopa terase taaskasutajate konverentsi andmetel põhjustasid 90% neist tulekahjudest väikesed liitiumpatareid!

Praegune statistika näitab, et ainult umbes viis protsenti patareidest kogu maailmas võetakse ringlusse; paljud neist lihtsalt visatakse ära või saadetakse otse prügilatesse. Üks põhjus võib olla nende keerukas koostis, näiteks liitiumioonakud, mis sisaldavad tavaliselt 22% koobaltit, 5-10% niklit ja 5-7% liitiumi; lisaks võib neis olla 15% orgaanilisi kemikaale ja 7% plasti.

Kuigi liitiumpatareide ringlussevõtt on tehniliselt võimalik, on see protsess kallis ja aeganõudev, rääkimata ebaefektiivsusest; energiasalvestusspetsialist selgitab, et tõeliselt tõhusaks kasutamiseks on vaja kõrge puhtusastmega toorainet, mida meil praegu ei ole.

PNNL on välja töötanud murrangulise protsessi, mis hõlmab EOL-akude purustamist ja pulbristamist pulbriks, mis on oluline samm liitiumakude ringlussevõtu odavamaks muutmisel. Hüdrometallurgiliste ja pürometallurgiliste meetodite kasutamine vanades patareides sisalduvate metallide taaskasutamiseks uute patareide toorainena võib lõpuks vähendada nõudlust haruldaste maade mineraalide või metallide järele, mille tarnimine võib tulevikus olla piiratud.

Materjalide ringlussevõtt viitab sisuliselt lõputu tsükli loomisele, mille käigus akud alustavad oma teekonda sellest, et neid kasutatakse esmalt elektrisõidukis, enne kui need võetakse ringlusse ja suunatakse tagasi tootmisprotsessidesse.