A lítium-ion akkumulátorok a tiszta energiára való áttérés kulcsfontosságú technológiája

A lítium akkumulátorok hatékonyan tárolják az energiát, így kiváló választás elektromos vagy szabadidőjárművekben való használatra. A lítium akkumulátorok idővel rendkívül magas töltöttségi szintet is fenntartanak.

Mivel a lítiumionok az elektroliton keresztül áramlanak az anódból a katódba, a népszerű anódanyagok közé tartozik a szén és a szilícium; a katódok olyan fémoxidokból állnak, mint a spinell, a nikkel-kobalt-mangán vagy a lítiumvas-foszfát katódként.

1. Energiatárolás

A lítiumion-akkumulátorok a közelmúlt történelmének egyik legnagyobb hatású elemei voltak; ők nyitották meg az utat az e-mobilitás forradalmához, és ma már a tiszta energiára való áttérés kulcsfontosságú eszközeiként szolgálnak. Használatuk a hordozható fogyasztói elektronika egyre szélesebb körét - laptopok és mobiltelefonok, elektromos autók/plug-in hibridek/otthoni energiatároló rendszerek stb.

Az akkumulátorok öt fő elemből állnak: anódból, katódból, az elektródok közötti elválasztóból, a lítiumionokat elektrolízis útján szállító elektrolitoldatból, valamint a vezetékekhez való csatlakozáshoz rézből és alumíniumból készült áramgyűjtőkből. Töltéskor egy külső áramforrás túlfeszültséget alkalmaz, amely az elektronokat a pozitív elektródákról a negatív elektródák felé kényszeríti, és elektrolízis útján lítiumionokat mozgat az anód és a katód között; kisüléskor ez fordítva történik: a lítiumionok elhagyják az egyik elektródát, és az elektródák között interkalálódnak, míg a szabad elektronok a vezetékeken keresztül áramot adnak, amely az eszközeinket táplálja.

Az anód különböző anyagokból állhat, de a grafit és a lítium-kobalt-oxid a két legnépszerűbb anódanyag. A katódok általában fémekből, például nikkel-kobalt-alumíniumból vagy lítiumvas-foszfátból állnak; kémiai összetételük végső soron meghatározza az akkumulátor teljesítményét: például a nikkel-kobalt-alumínium hosszabb ciklusidőt biztosít, míg a lítiumvas-foszfát költséghatékonyabb lehet.

Jelenleg a LiB-gyártási költségek nagy részét az elektródok gyártása és a cellák kikészítése teszi ki - két olyan folyamat, amely a legidő- és energiaigényesebbek közé tartozik; ezek összesen mintegy 401 TP3T akkumulátorkapacitást használnak fel. A nyersanyagköltségek csökkenésével és a termelési kapacitás bővülésével azonban a LiB-áraknak idővel tovább kell csökkennie.

2. Biztonság

Gyúlékony folyékony elektrolitjuk miatt a helytelenül megtervezett és gyártott lítium akkumulátorok sérülés vagy helytelen töltés esetén biztonsági kockázatot jelentenek, ami tüzet vagy robbanást okozhat. A tervezés és a gyártás javítása érdekében sokat dolgoztak a tervezés és a gyártás javításán, hogy csökkentsék ezt a kockázatot; a lítium-ion technológiát az elektrolit nélküli szilárd akkumulátorok létrehozására is használják.

A lítium-ion akkumulátorok az újratölthető akkumulátortípusok közül kiemelkednek azzal, hogy rendkívül nagy energiasűrűséggel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy a kisebb cellák ugyanannyi energiát képesek biztosítani, mint a nagyobb akkumulátorok - ideálisak olyan hordozható eszközökhöz, mint a telefonok és digitális fényképezőgépek, elektromos járművek, szabadidős járművek és egyéb olyan eszközök számára, amelyek hatékony energiát igényelnek, miközben könnyűek maradnak.

Az ilyen típusú akkumulátorok fő előnye, hogy nem szenvednek memóriahatástól; ezért teljes kapacitását kihasználhatja anélkül, hogy aggódnia kellene amiatt, hogy idővel kevésbé lesz hatékony. Vegye azonban figyelembe, hogy a kémiai összetétele nem tolerálja túl jól a hőt, így a magasabb hőmérsékleten történő tárolás helyrehozhatatlan károkat okozhat.

Ezért fontos, hogy alaposan olvassa el az akkumulátor felhasználói kézikönyvét, hogy tudja, hogyan kell a legjobban gondoskodni róla és meghosszabbítani az élettartamát. Általánosságban elmondható, hogy az akkumulátor élettartamának maximalizálása és az optimális teljesítmény biztosítása érdekében hűvösen kell tartani, és nem szabad túltölteni.

3. Könnyűsúlyú

A nikkel-kadmium, majd később a nikkel-fém-hidrid akkumulátorok több mint 100 éven át voltak a hordozható elektronikai eszközök - a mobiltelefonoktól a laptopokig - szabványos választása, amíg az 1990-es évek elején a lítium-ion alternatív technológiaként meg nem jelent. A lítium-ion cellák könnyebbek és nagyobb teljesítményűek elődeiknél, miközben kétszeres energiasűrűséggel büszkélkedhetnek, valamint 3,6 V-os töltés/kisütés mellett is képesek tölteni/kisütni, ami lehetővé teszi az egyetlen cellából álló akkumulátorok tervezését.

Lítium akkumulátorok laptopokban, elektromos járművekben és vezeték nélküli elektromos szerszámokban találhatók. A lítium akkumulátorok kiváló napenergia-tároló megoldások, mivel gyorsan töltődnek és lemerülnek - emellett remek tartalék energiaellátási megoldások, például UPS-rendszerek vagy vészhelyzeti tápegységek.

A hőmérséklet és a használati szokások jelentősen befolyásolják a lítium-ion akkumulátorok élettartamát, beleértve a hőhatás és a gyakori túltöltés okozta károsodást. A hő felgyorsítja a degradációt, a gyakori túltöltés pedig tovább gyorsítja azt; a lítium-ion akkumulátorokat soha nem szabad hosszabb ideig szélsőséges hőmérsékletnek kitenni.

A lítium-ion akkumulátorok különböző típusai léteznek, amelyek mindegyike saját előnyökkel és hátrányokkal rendelkezik. Az Ön alkalmazása, költségvetése és biztonsági tűrőképessége segít meghatározni, hogy melyik lítium-akkumulátor típus felel meg leginkább az Ön igényeinek. A négy legelterjedtebb akkumulátortípus a LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 és a lítium-polimer akkumulátorok - mindegyik a maga sajátos kémiáját kínálja, miközben közösek az olyan alapelvek, mint a lítiumionok használata az elektromos energia tárolására, az elektródák egymástól való védelmére szolgáló szigetelőréteggel védve, és az anódanyaggal védve, mint a LiCoO2; a LiNMC mangán és nikkel kombinált katódokat használ, amely magas fajlagos energiát és kiváló stabilitást kínál - mindegyik magas fajlagos energiateljesítményt kínál megfizethető költségek mellett!

4. Környezetbarát

A lítiumion-akkumulátorok nélkülözhetetlen technológiát jelentenek a közlekedési és villamosenergia-ágazatunknak a fosszilis tüzelőanyagokról a megújuló energiaforrásokra való átállásában. Hosszú élettartamuk, nagy energiasűrűségük és gyors töltési képességük révén a lítiumion-akkumulátorok ideálisak elektromos járművek, elektromos szerszámok vagy laptopok energiaellátására, miközben növelik a fogyasztók energiafelhasználással kapcsolatos tudatosságát.

A lítium-ion akkumulátorok számos környezeti előnnyel járhatnak, gyártásuk és ártalmatlanításuk azonban még mindig környezeti hatásokkal jár. A lítiumion-akkumulátorok gyúlékony folyékony elektrolitot tartalmaznak, amely nem megfelelő ártalmatlanítás esetén mérgező anyagokat juttathat a környezetbe, amelyek veszélyeztetik a talaj és a víz minőségét; nem megfelelő ártalmatlanítás esetén pedig tüzet okozhatnak a hulladéklerakókban és az akkumulátor-újrahasznosító létesítményekben.

A lítium-ion akkumulátorok gyártása óriási szénlábnyomot hagy maga után a nyersanyagok bányászata és földből történő kitermelése miatt, például a kemény kőzetbányászat minden egyes kitermelt tonna 15 tonna CO2-t bocsát ki. Ezen túlmenően ezen ásványok kitermelése hatalmas mennyiségű energiát igényel, amely főként a kitermeléshez szükséges fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származik.

A bányászott akkumulátor-alkatrészek, mint a lítium, a nikkel, a kobalt, a grafit és az alumíniumfólia szintén üvegházhatású gázkibocsátást okoznak, ami hozzájárul az éghajlatváltozáshoz, míg szállításuk és szállításuk további szén-dioxid-kibocsátással növeli bolygónk szénlábnyomát.

Amint a lítium-ion akkumulátorok elérik élettartamuk végét, elektronikai hulladékká (e-hulladékká) válnak. Sajnos sok közülük nem kerül megfelelően újrahasznosításra - gyakran a kereskedelmi hulladékáramba és a hulladéklerakókba kerülnek, ahol véletlenül rövidre zárhatják őket, vagy biztonságosan szétszerelhetik őket, hogy kis értékes alkatrészeket gyűjtsenek belőlük. Ez gyakran tüzekhez vezet, amelyek tovább fokozzák az éghajlatváltozást.

5. Újrahasznosítható

A lítium akkumulátorok más fémeket, például nikkelt, kobaltot és rezet, valamint szerves vegyi anyagokat és műanyagokat is tartalmaznak, amelyek kidobásukkor mérgező anyagok szivároghatnak a vízfolyásokba, és a hulladékkezelő központokban eldobva tüzet okozhatnak; az Egyesült Királyság Környezetvédelmi Szolgáltatók Szövetsége csak a hulladékkezelő központokban 2019 és 2020 között 250 akkumulátortűzről számolt be! Továbbá a lítium akkumulátorok biztonsági kockázatot jelentenek, ha összetörik vagy kilyukasztják őket - ezek a műveletek rövidre zárhatják a katódjukat, ami belső égéshez vezethet - az Európai Acélújrahasznosítók Konferenciája szerint a tűzesetek közül 90% kis lítium akkumulátorok okozták!

A jelenlegi statisztikák szerint világszerte az akkumulátorok mindössze öt százalékát hasznosítják újra; sok közülük egyszerűen kidobásra kerül, vagy közvetlenül a hulladéklerakókba kerül. Ennek egyik oka lehet összetett összetételük, például a lítium-ion akkumulátorok, amelyek jellemzően 22% kobaltot, 5-10% nikkelt és 5-7% lítiumot tartalmaznak; emellett 15% szerves vegyi anyag és 7% műanyag is lehet bennük.

Bár a lítium akkumulátorok újrahasznosítása technikailag lehetséges, a folyamat drága és időigényes, nem is beszélve a hatástalanságról; egy energiatárolási szakember elmagyarázza, hogy ahhoz, hogy valóban hatékonyak legyenek, nagy tisztaságú nyersanyagokra van szükség, amelyekkel jelenleg nem rendelkezünk.

A PNNL egy úttörő eljárást fejlesztett ki, amelynek során az elhasználódott akkumulátorokat aprítják és porrá porítják, ami fontos lépés a lítium akkumulátorok újrahasznosításának olcsóbbá tétele felé. A hidrometallurgiai és pirometallurgiai technikák felhasználása a régi akkumulátorokban lévő fémek visszanyerésére, hogy azokat új akkumulátorok alapanyagaként lehessen felhasználni, végső soron csökkentheti a ritkaföldfém-ásványok vagy fémek iránti keresletet, amelyek a jövőben ellátási korlátozásokkal szembesülhetnek.

Az anyagkörforgás lényege egy végtelen körforgás létrehozása, amelynek során az akkumulátorok útja az EV-ben való első felhasználástól az újrahasznosítás és a gyártási folyamatokba való visszahelyezésig tart.