Litija jonu baterijas ir galvenā tehnoloģija pārejai uz tīru enerģiju

Litija akumulatori efektīvi uzkrāj enerģiju, tāpēc tie ir lieliska izvēle izmantošanai elektriskajos vai atpūtas transportlīdzekļos. Litija akumulatori arī ilgstoši saglabā ļoti augstu uzlādes līmeni.

Tā kā litija joni caur elektrolītu plūst no anoda uz katodu, populārākie anoda materiāli ir ogleklis un silīcijs; katodu sastāvā ir metālu oksīdi, piemēram, spinelis, niķeļa kobalta mangāns vai litija dzelzs fosfāts kā katodi.

1. Enerģijas uzglabāšana

Litija jonu akumulatoriem ir bijusi viena no lielākajām sekām nesenā vēsturē; tie bruģēja ceļu e-mobilitātes revolūcijai un tagad kalpo kā galvenie tīrās enerģijas pārejas veicinātāji. Tās tiek izmantotas arvien plašākā patērētāju pārnēsājamās elektronikas klāstā - klēpjdatoros un mobilajos telefonos, elektromobiļos/pievienojamajos hibrīddzinējos/mājsaimniecības enerģijas uzglabāšanas sistēmās utt.

Baterijas sastāv no pieciem galvenajiem elementiem: anoda, katoda, separatora starp elektrodiem, elektrolīta šķīduma, kas elektrolīzes procesā transportē litija jonus, un strāvas kolektoriem, kas izgatavoti no vara un alumīnija savienošanai ar vadiem. Uzlādēšanas laikā ārējais barošanas avots pievada pārsprieguma spriegumu, kas spiež elektronus no pozitīvajiem elektrodiem uz negatīvajiem elektrodiem un elektrolīzes ceļā virza litija jonus starp anodu un katodu; izlādēšanās notiek pretēji: litija joni atstāj vienu elektrodu un interkalējas starp elektrodiem, bet brīvie elektroni izplūst caur vadiem, nodrošinot strāvu, kas darbina mūsu ierīces.

Anodu var veidot no dažādiem materiāliem, bet divi no populārākajiem anoda materiāliem ir grafīts un litija kobalta oksīds. Katodi parasti sastāv no metāliem, piemēram, niķeļa-kobalta-alumīnija vai litija-dzelzs-fosfāta; to ķīmiskais sastāvs galu galā nosaka akumulatora veiktspēju: piemēram, niķeļa-kobalta-alumīnija materiāls nodrošina ilgāku ciklu ilgumu, bet litija-dzelzs-fosfāts var būt ekonomiskāks.

Pašlaik lielākā daļa LiB ražošanas izmaksu ir saistīta ar elektrodu ražošanu un elementu apdari - diviem procesiem, kas ir vieni no laikietilpīgākajiem un energoietilpīgākajiem; tie kopumā patērē aptuveni 40% akumulatora jaudas. Tomēr, samazinoties izejvielu izmaksām un palielinoties ražošanas jaudai, LiB cenām laika gaitā jāturpina samazināties.

2. Drošība

Nepareizi konstruētas un ražotas litija baterijas to uzliesmojošā šķidrā elektrolīta dēļ rada drošības apdraudējumu, ja tās ir bojātas vai nepareizi uzlādētas, kas var izraisīt ugunsgrēku vai sprādzienu. Lai samazinātu šo risku, ir daudz strādāts pie to konstrukcijas un ražošanas uzlabošanas; litija jonu tehnoloģija tiek izmantota arī, lai radītu cietvielu baterijas bez elektrolīta.

Litija jonu akumulatori izceļas starp uzlādējamiem akumulatoru veidiem ar īpaši augstu enerģijas blīvumu, kas nozīmē, ka mazāki elementi var nodrošināt tādu pašu enerģijas daudzumu kā lielāki akumulatori - tas ir ideāli piemērots tādām portatīvām ierīcēm kā tālruņi un digitālās kameras, elektriskajiem transportlīdzekļiem, atpūtas transportlīdzekļiem un citām ierīcēm, kurām nepieciešama efektīva jauda, vienlaikus saglabājot vieglu svaru.

Šī tipa akumulatora galvenā priekšrocība ir tā, ka tam nepiemīt atmiņas efekts, tāpēc varat izmantot visu akumulatora jaudu, neuztraucoties, ka laika gaitā tas kļūs mazāk efektīvs. Tomēr ņemiet vērā, ka tā ķīmiskais sastāvs slikti panes karstumu, tāpēc uzglabāšana augstākā temperatūrā var radīt neatgriezeniskus bojājumus.

Tāpēc ir ļoti svarīgi rūpīgi izlasīt akumulatora lietošanas pamācību, lai zinātu, kā vislabāk to kopt un pagarināt tā kalpošanas laiku. Kopumā, saglabājot akumulatoru vēsumā un nepārlādējot to, tiks maksimāli pagarināts akumulatora darbības laiks un nodrošināta optimāla veiktspēja.

3. Viegls

Vairāk nekā 100 gadus niķeļa-kadmija un vēlāk niķeļa-metālhidrīda akumulatori bija standarta izvēle pārnēsājamās elektronikas ierīcēs, sākot no mobilajiem tālruņiem līdz klēpjdatoriem, līdz 90. gadu sākumā kā alternatīva tehnoloģija parādījās litija jonu akumulatori. Litija jonu elementi ir vieglāki un jaudīgāki par saviem priekštečiem, turklāt tiem piemīt divkāršs enerģijas blīvums, kā arī tie spēj uzlādēties/izlādēties ar 3,6 V spriegumu, kas ļauj izstrādāt akumulatoru komplektus tikai ar vienu elementu.

Litija akumulatori ir atrodami klēpjdatoros, elektriskajos transportlīdzekļos un bezvada elektriskajos instrumentos. Litija baterijas ir lieliski saules enerģijas uzglabāšanas risinājumi, jo tās ātri uzlādējas un izlādējas - tās ir arī lieliski rezerves barošanas risinājumi, piemēram, UPS sistēmas vai avārijas barošanas avoti.

Temperatūra un lietošanas paradumi ietekmē litija jonu akumulatora kalpošanas ilgumu, tostarp karstuma iedarbības un biežas pārmērīgas uzlādes izraisīto degradāciju. Karstums paātrina degradāciju, bet bieža uzlāde to vēl vairāk paātrina; litija jonu baterijas nekad nedrīkst ilgstoši pakļaut ekstremālām temperatūrām.

Ir dažādi litija jonu akumulatoru veidi, un katram no tiem ir savas priekšrocības un trūkumi. Jūsu lietojums, budžets un drošības pielaides palīdzēs noteikt, kurš litija akumulatora tips vislabāk atbilst jūsu vajadzībām. Četri izplatītākie akumulatoru veidi ir LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 un litija polimēru akumulatori - katrs no tiem piedāvā savu atšķirīgu ķīmisko sastāvu, bet tiem ir kopīgi tādi pamatelementi kā litija jonu izmantošana elektriskās enerģijas uzkrāšanai, ko aizsargā izolācijas slānis, lai pasargātu elektrodus vienu no otra, un ko aizsargā anoda materiāls, piemēram, LiCoO2; LiNMC izmanto mangāna un niķeļa kombinētos katodus, kas nodrošina gan augstu īpatnējo enerģiju, gan lielisku stabilitāti - katrs piedāvā augstu īpatnējās enerģijas veiktspēju par pieņemamu cenu!

4. Videi draudzīgs

Litija jonu akumulatori ir neaizstājama tehnoloģija, lai transporta un elektroenerģijas nozarēs pārorientētos no fosilā kurināmā uz atjaunojamiem enerģijas avotiem. To ilgais akumulatoru darbības laiks, augstais enerģijas blīvums un ātrās uzlādes iespējas padara litija jonu akumulatorus ideāli piemērotus elektrisko transportlīdzekļu, elektrisko instrumentu vai klēpjdatoru darbināšanai, vienlaikus palielinot patērētāju informētību par enerģijas izmantošanu.

Litija jonu baterijas var piedāvāt daudz priekšrocību videi, tomēr to ražošana un iznīcināšana joprojām rada ietekmi uz vidi. Litija jonu baterijas satur uzliesmojošu šķidro elektrolītu, kas nepareizas utilizācijas gadījumā var izdalīt vidē toksiskas vielas, kuras apdraud augsnes un ūdens kvalitāti; nepareizi izmestas baterijas var izraisīt arī ugunsgrēkus atkritumu poligonos un bateriju pārstrādes rūpnīcās.

Litija jonu bateriju ražošana rada milzīgu oglekļa dioksīda emisiju pēdas nospiedumu, jo tiek veikta izejvielu ieguve un ieguve no zemes, piemēram, iegūstot cietos iežus, un katra iegūtā tonna rada 15 tonnu CO2. Turklāt šo derīgo izrakteņu ieguvei ir nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums, ko galvenokārt iegūst, sadedzinot fosilo kurināmo ieguves vajadzībām.

Ieguvušās bateriju sastāvdaļas, piemēram, litijs, niķelis, kobalts, grafīts un alumīnija folija, arī rada siltumnīcefekta gāzu emisijas, kas veicina klimata pārmaiņas, savukārt to transportēšana un piegāde palielina oglekļa dioksīda emisijas mūsu planētas oglekļa dioksīda pēdas.

Kad litija jonu bateriju kalpošanas laiks ir beidzies, tās kļūst par elektroniskajiem atkritumiem (e-atkritumiem). Diemžēl daudzas no tām netiek pienācīgi pārstrādātas - bieži vien tās nonāk komerciālo atkritumu plūsmās un izgāztuvēs, kur tās var tikt nejauši saīsinātas vai nedroši izjauktas, lai iegūtu mazas vērtīgas detaļas. Tas bieži noved pie ugunsgrēkiem, kas vēl vairāk veicina klimata pārmaiņas.

5. Pārstrādājams

Litija baterijas satur arī citus metālus, piemēram, niķeli, kobaltu un varu, kā arī organiskās ķīmiskās vielas un plastmasu, kas, izmetot baterijas, var noplūst ūdenstecēs un izraisīt ugunsgrēkus, ja tās tiek izmestas atkritumu apstrādes centros; Apvienotās Karalistes Vides pakalpojumu asociācija ziņoja par 250 bateriju ugunsgrēkiem no 2019. līdz 2020. gadam tikai atkritumu apstrādes centros! Turklāt litija baterijas rada drošības risku, ja tās tiek saspiestas vai caurdurtas - šādas darbības var radīt īssavienojumu to katodos, izraisot iekšējo degšanu - saskaņā ar Eiropas Tērauda pārstrādātāju konferences datiem 90% no šiem ugunsgrēkiem izraisīja mazas litija baterijas!

Pašreizējā statistika liecina, ka pasaulē tiek pārstrādāti tikai aptuveni pieci procenti bateriju; daudzas baterijas tiek vienkārši izmestas vai nosūtītas tieši uz izgāztuvēm. Viens no iemesliem varētu būt to sarežģītais sastāvs, piemēram, litija jonu baterijas parasti satur 22% kobalta, 5-10% niķeļa un 5-7% litija; turklāt tajās var būt arī 15% organisko ķīmisko vielu un 7% plastmasas.

Lai gan litija bateriju otrreizēja pārstrāde ir tehniski iespējama, šis process ir dārgs un laikietilpīgs, nemaz nerunājot par to, ka tas ir neefektīvs; enerģijas uzglabāšanas speciālists skaidro, ka, lai baterijas būtu patiešām efektīvas, tām ir nepieciešamas augstas tīrības pakāpes izejvielas, kuru mums pašlaik nav pieejams.

PNNL ir izstrādājusi revolucionāru procesu, kas ietver nolietoto bateriju smalcināšanu un pulverizēšanu pulverī, kas ir svarīgs solis ceļā uz lētāku litija bateriju pārstrādi. Izmantojot hidrometalurģijas un pirometalurģijas metodes, lai atgūtu vecās baterijās esošos metālus izmantošanai par izejvielām jaunu bateriju izgatavošanai, varētu samazināt pieprasījumu pēc retzemju minerāliem vai metāliem, kuru piegāde nākotnē var tikt ierobežota.

Materiālu aprites princips būtībā ir saistīts ar bezgalīga cikla izveidi, kurā baterijas sāk savu ceļu no pirmās izmantošanas elektromobilī līdz otrreizējai pārstrādei un atkārtotai izmantošanai ražošanas procesā.