Ličio baterijos naudojamos daugelyje prietaisų – nuo nešiojamųjų kompiuterių ir skaitmeninių fotoaparatų iki elektrinių automobilių ir žaislų. Deja, ličio baterijos kelia keletą pavojų saugumui, įskaitant perkaitimą ar sprogimą bei didžiulį šilumos išsiskyrimą, kuris gali sukelti negesinamą gaisrą.
Ličio baterijos pasižymi dideliu energijos tankiu ir ilgaamžiškumu, palyginti su švino ar nikelio baterijomis, nes jų cheminė sudėtis užtikrina didesnį energijos tankį per vieną ciklą ir ilgesnį tarnavimo laiką. Ličio baterijos sudedamąsias dalis sudaro anodo ir katodo elektrodai, separatorius ir elektrolito tirpalas.
Ličio jonų baterijos yra saugios
Ličio jonų baterijos maitina įvairius įrenginius – nuo nešiojamųjų elektronikos prietaisų ir elektrinių transporto priemonių iki namų energijos kaupimo sistemų bei namų energijos paskirstymo tinklų. Deja, ličio jonų baterijos gali būti pavojingos, jei yra pažeistos arba naudojamos netinkamai – ličio jonų baterijų sukelti gaisrai dažnai greitai išplinta po šalia esančius baldus, kol juos pavyksta užgesinti vandeniu ar tradiciniais gesintuvais; todėl su ličio baterijomis turėtų dirbti tik apmokytas personalas, tinkamai suprantantis jų savybes.
Ličio jonų akumuliatoriaus gaisrą gali sukelti perkaitimas, per didelis šilumos susidarymas arba fiziniai pažeidimai, patirti dėl netinkamo įkrovimo, laikymo ar transportavimo. Dėl didelio energijos tankio šie akumuliatoriai yra ypač linkę užsidegti ir sprogti.
Kadangi ličio jonų akumuliatoriai vis labiau priartėja prie teorinės energijos tankio ribos, gamintojai stengiasi tobulinti gamybos metodus ir didinti saugumą. Tai apima naujų bandymų, leidžiančių anksti nustatyti problemas, įdiegimą – pavyzdžiui, bandymus su vinimi, kurie gali sukelti akumuliatoriaus vidinės struktūros suirimą ir sprogimą.
Perkaitę ličio jonų akumuliatoriai gali patirti terminį išsiveržimą ir sprogti, sukeldami itin destruktyvų gaisrą, kuris gali greitai išplisti į gretimus akumuliatoriaus elementus, sukeldamas grandininę sprogimų reakciją, kuri savo ruožtu gali toliau naikinti kitus elementus. Be to, degant ličio jonų akumuliatoriui susidaro toksiški dūmai, kuriuos, kartą užsidegus, sunku užgesinti.
Puikus būdas išvengti ličio jonų baterijų gaisrų – griežtai laikytis gamintojo nurodymų naudojant jo prietaisus ar baterijas, naudoti patvirtintus įkroviklius ir laikyti baterijas atokiau nuo degių medžiagų. Taip pat atkreipkite dėmesį į produktus su UL ženklu, kuris rodo, kad buvo atlikti saugos bandymai ir jie atitinka nacionalinius standartus; ir galiausiai tinkamai išmeskite visas baterijas ar baterijomis maitinamus prietaisus – ne į šiukšlių dėžę ir ne su buitinėmis atliekomis!
Atidžiai stebėkite ličio jonų baterijų gedimo požymius, pavyzdžiui, išsipūtimą, nuotėkį ar dujų išsiskyrimą iš prietaisų, kuriuose naudojamos šios baterijos, ir, jei pastebėsite šiuos požymius, nedelsdami nustokite naudoti prietaisą bei laikykitės savo namų evakuacijos plano. Be to, visada perdirbkite nebeveikiančius prietaisus, nes jų toksinės medžiagos gali patekti į aplinką per sąvartynus.
Jie nekenkia aplinkai
Ličio jonų baterijos yra vienas iš didžiausių šiuolaikinės istorijos technologinių pasiekimų – jos maitina nešiojamąją buitinę elektroniką, pavyzdžiui, nešiojamuosius kompiuterius, mobiliuosius telefonus, elektrinius automobilius ir elektros energijos kaupimo sistemas. Tačiau ličio jonų baterijos taip pat daro nemažą poveikį aplinkai, jei jų šalinimas nevykdomas atsakingai. Daugelis eksploatacijos laiką baigusių ličio jonų baterijų patenka į sąvartynus, kur iš jų gali išsiskirti toksiškos cheminės medžiagos ir užteršti dirvožemį bei vandens išteklius. Ličio jonų baterijos yra žinomos dėl to, kad gali užsidegti, o tai sukelia didžiulius sąvartynų gaisrus, kurie dega ištisus metus ir teršia tiek orą, tiek dirvožemį sunkiaisiais metalais, tokiais kaip nikelis ir kobaltas. Laimei, jas taip pat galima perdirbti ir pakartotinai panaudoti, taip suteikiant aplinkai nekenksmingą alternatyvą iškastiniams degalams.
Didžiausią poveikį aplinkai ličio baterijos daro dėl jų žaliavų. Didžioji dalis ličio gaunama iš druskos lygumų sūrymų Pietų Amerikoje, kur kasybos įmonės jo gavybai naudoja didžiulius vandens kiekius, taip eikvodamos natūralius požeminius geriamojo vandens išteklius vietos bendruomenėms, kurioms sunku gauti švaraus geriamojo vandens. Be to, daugelis gavybos procesuose naudojamų cheminių medžiagų yra pavojingos tiek žmonių sveikatai, tiek aplinkai.
Kobaltas, vienas iš pagrindinių elementų daugumoje šiuolaikinių ličio jonų baterijų, gali turėti neigiamą poveikį aplinkai, nes jis kasamas Centrinės Afrikos regionuose, nuniokotuose karų ir konfliktų; be to, kobalto kasybos veikla siejama su daugybe žmogaus teisių pažeidimų.
Didėjant ličio jonų baterijų paklausai, kasmet iš žemės išgaunama vis daugiau kobalto ir nikelio. Buvo bandoma rasti alternatyvių medžiagų, tinkamų ličio jonų baterijoms; silicio nanolaidų anodai yra viena iš tokių perspektyvių galimybių, kurios daro mažesnį poveikį aplinkai nei tradicinės katodo medžiagos.
Ličio jonų baterijos, palyginti su iškastiniais degalais, turi didelių privalumų aplinkos apsaugos požiūriu. Jos ne tik mažina šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą ir padeda sumažinti mūsų priklausomybę nuo neefektyvių anglies jėgainių, bet ir gali atlikti svarbų vaidmenį skatinant saulės baterijų diegimą, nes leidžia kaupti saulės energiją, kad ją būtų galima naudoti naktį.
Jie yra lengvi
Ličio baterijos gaminamos įvairių formų ir dydžių, kad atitiktų skirtingus naudojimo poreikius, taip pat gali būti pritaikytos atsižvelgiant į energijos vartojimo efektyvumą, kainą ir saugumą. Įkraunamos ličio baterijos yra saugios vežti, jei įkrovimo ir iškrovimo metu imamasi tinkamų atsargumo priemonių; jos yra lengvos ir pasižymi dideliu energijos tankiu. Be to, jos yra ekologiškos ir reikalauja mažai priežiūros.
Ankstyvieji įkraunami ličio akumuliatoriai buvo gaminami naudojant metalinį ličio elementą, tačiau dėl saugumo problemų jie nebuvo plačiai paplitę. Vėliau mokslininkai pradėjo tyrinėti nemetalinius ličio jonus, kuriuos pramonės specialistai laiko saugesniais. Ličio jonų akumuliatoriai pasižymi didesniu energijos tankiu ir geresnėmis eksploatacinėmis savybėmis nei nikelio-kadmio akumuliatoriai, be to, jie greitai įkraunami ir pasižymi ilgu tarnavimo ciklu.
Ličio jonų baterijose yra trys pagrindiniai elementai: anodas, katodas ir elektrolitas. Kiekvienas anodas ir katodas kaupia ličio jonus, o elektrolitas per separatorių perkelia teigiamai įkrautus ličio jonus iš vienos baterijos pusės į kitą; kai šie ličio jonai juda tarp anodų per separatorių, jie sukuria laisvuosius elektronus, kurie keliauja per neigiamą srovės kolektorių, prijungtą prie išorinio įrenginio.
Ličio jonų baterijose yra elektrolitas, sudarytas iš ličio druskų, ištirpintų organiniuose tirpikliuose, pavyzdžiui, dimetilkarbonate, dietoksietane ir dioksolane, siekiant užkirsti kelią metalinio ličio nusėdimui ir sumažinti baterijos nusidėvėjimą. Li-joninių baterijų elektrolitai pasižymi aukšta virimo temperatūra, mažu klampumu ir puikiu terminiu stabilumu, o tai užtikrina aukštą laidumą ir greitį. Taip pat gali būti pridedamas kietasis polimerinis elektrolitas, siekiant užtikrinti didesnį saugumą ir pagaminti lengvesnius akumuliatorius. Cho ir kt. naudojo poliakrilonitrilą (PAN). Jie sujungė elektrospun būdu pagamintas PAN nanopluošto gijas ir sulfonuotą SEBS į pažangią mikroporinę neaustinę membraną, pasižyminčią geresniu joniniu laidumu ir didesne sulaikymo talpa nei grynas PAN.
Ličio jonų akumuliatoriai užtikrina trumpalaikį galingumą ir didesnį važiavimo nuotolį elektrinėms transporto priemonėms, nešiojamajai elektronikai bei tinklo masto atsinaujinančiosios energijos šaltiniams dėl savo didelio savitojo energijos kiekio ir energijos tankio, todėl jie yra praktiška alternatyva naftos pagrindu veikiančioms kuro elementams ar degiesiems kurui. Deja, laikui bėgant ličio jonų akumuliatorių talpa gali mažėti dėl senėjimo.
Jie yra veiksmingi
Ličio jonų akumuliatoriai viename korpuse talpina daugiau energijos nei švino-rūgštiniai akumuliatoriai, be to, yra lengvesni, todėl tinka naudoti ten, kur vietos yra mažai. Be to, ličio akumuliatoriai yra daug saugesni nei ličio-kobalto oksido akumuliatoriai, kurie gali sukelti terminį išsiveržimą. Be to, ličio akumuliatoriai yra ir ekonomiškesni – už pusę kainos užtikrina panašų energijos išėjimą.
Šiose baterijose naudojami nevandeniniai elektrolitai, skirti apsaugoti aktyvias medžiagas nuo vandens, kuris, reaguodamas su ličiu, sudaro toksišką ličio hidroksidą ir vandenilio dujas, taip potencialiai užkertant kelią terminiam išsiveržimui. Tačiau toks sprendimas riboja įkrovimo ir iškrovimo galimybes bei talpą; paprastai naudojami organiniai karbonatai, pavyzdžiui, etileno ar propileno karbonatas, siekiant užtikrinti saugumą, nes anodo anglies medžiaga dažnai yra grafitas, turintis žemą litavimo potencialą, bet aukštą ličio išplovimo įtampą, kad būtų apribota difuzija į anglies medžiagas, todėl šios baterijos apskritai tampa mažiau efektyvios.
Ličio jonų elementai kaupia ličio jonus elektroduose interkaliacijos proceso metu. Iškraunant elementą, teigiamieji elektrodai (katodai) išskiria ličio jonus į neigiamuosius elektrodus (anodus), iš kurių jie vėliau gali būti išgauti įkraunant elementą; jų grįžtamoji talpa priklauso tiek nuo jų redokso savybių, tiek nuo naudojamų aktyviųjų medžiagų cheminio stabilumo.
Redoks reakcijoms, vykstančioms ląstelės viduje, reikalinga energija, tiekiama iš išorinės grandinės ir baterijoje per elektrocheminius procesus paverčiama į cheminę energiją, kuri vėliau baterijose kaupiama kaip cheminis krūvis.
Ličio jonų akumuliatoriai pasižymi mažu savaiminio išsikrovimo greičiu, o tai reiškia, kad jie išlaiko įkrovą ilgiau nei kitų tipų akumuliatoriai, todėl yra idealus sprendimas atsarginės energijos sistemoms ir radijo mėgėjų radijo stotims. Laikomi vėsioje vietoje, ličio jonų akumuliatoriai gali išlaikyti įkrovą net kelerius metus!
Ličio jonų baterijos gali atrodyti ekologiškos, tačiau jų gamybos metu išmetamų šiltnamio efektą sukeliančių dujų (ŠESD) kiekis viršija kitų baterijų technologijų rodiklius. Tai daugiausia lemia tai, kad jų gamybos procese elektros energijai gaminti naudojami iškastiniai degalai – tačiau anodo pasta, elektrodų substratai ir elektrolitas sudaro tik 44% baterijos masės, todėl neturi didelio poveikio ŠDG išmetimui.