Zalety baterii litowych

Baterie litowe stały się niezbędnymi elementami elektroniki mobilnej, e-mobilności i magazynowania energii w sieci, oferując wiele zalet w porównaniu z innymi typami baterii.

Baterie litowo-jonowe posiadają katody wykonane z tlenku litowo-kobaltowego lub fosforanu litowo-żelazowego jako katody i anody wykonane z grafitu jako anody, oddzielone separatorem wykonanym z porowatego materiału zaprojektowanego tak, aby umożliwić jonom litu przejście, jednocześnie zapobiegając bezpośredniemu kontaktowi między elektrodami.

Wysoka gęstość energii

Baterie litowe charakteryzują się jedną z najwyższych gęstości energii wśród typów baterii (mierzoną w watogodzinach na kilogram), co oznacza, że przechowują więcej energii niż inne typy baterii. Ich wynalezienie i komercjalizacja zostały uznane za jedno z największych osiągnięć w historii ludzkości; umożliwiając przenośną elektronikę użytkową (taką jak aparaty cyfrowe, laptopy i telefony komórkowe), a także samochody elektryczne (rewolucja e-mobilności). Znalazły one nawet zastosowanie w magazynowaniu energii na skalę sieciową oraz w zastosowaniach wojskowych / kosmicznych.

Baterie litowe osiągają imponującą gęstość energii dzięki interkalacji; w tym procesie jony litu są fizycznie osadzone między warstwami dwuwymiarowej sieci węglowej poprzez interkalację. Pozwala to na odwracalne reakcje ładowania i rozładowania bez zmniejszania pojemności lub żywotności cyklu.

Naukowcy, którzy chcą zwiększyć gęstość energii baterii litowych, muszą zoptymalizować materiały anodowe, katodowe i elektrolit, jednocześnie zmniejszając rozmiar baterii. Niestety, zwiększenie gęstości energii przy jednoczesnej poprawie wydajności cyklicznej i stabilności termicznej nie jest prostym zadaniem.

Gęstość energii zapewnia przenośnym urządzeniom elektronicznym długi czas pracy przy jednoczesnym obniżeniu kosztów systemu. Mniejszy zestaw baterii może zużywać mniej stali i innych materiałów konstrukcyjnych, kabli i przewodów oraz systemów chłodzenia niż jego większy odpowiednik.

Chociaż gęstość energii baterii litowych jest bez wątpienia kluczowa, nie należy jej mylić z gęstością mocy, która mierzy ich zdolność do dostarczania krótkich impulsów energii. Chemia i struktura baterii odgrywają główną rolę w określaniu gęstości mocy - a nie jej konkretnej mocy wyjściowej.

Baterie litowe niklowo-kobaltowo-manganowe (NCM) oferują imponującą gęstość energii; jednak ich niska stabilność termiczna i ograniczone możliwości obciążenia ograniczają ich przydatność do zastosowań mobilnych. Wyjątkiem od tej reguły są akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe stosowane w hulajnogach elektrycznych i podobnych małych pojazdach silnikowych, aby osiągnąć wyjątkowo wysoką gęstość energii przy dużych obciążeniach; często można je znaleźć w hulajnogach lub podobnych małych pojazdach z silnikami. Niestety, takie baterie chemiczne nie nadają się do zastosowań, w których urządzenia będą demontowane lub zgniatane, ponieważ może dojść do ich degradacji i doprowadzić do pożaru lub wybuchu.

Długa żywotność

Baterie litowe są integralnym elementem zasilania wielu urządzeń elektronicznych, na których dziś polegamy, a ich żywotność często przekracza dekadę w idealnych warunkach. Od przenośnych zestawów energii słonecznej i pojazdów elektrycznych po małe banki energii i przenośne zestawy energii słonecznej, baterie litowe zapewniają niezawodne działanie naszych najważniejszych narzędzi i akcesoriów. Baterie litowe muszą być jednak odpowiednio pielęgnowane, aby znacznie wydłużyć ich żywotność; stosowanie odpowiednich schematów ładowania, unikanie głębokich rozładowań i podejmowanie środków ostrożności podczas przechowywania pomoże znacznie wydłużyć ich żywotność.

Niezbędnym krokiem do zwiększenia żywotności baterii litowych jest zrozumienie liczby cykli ładowania i rozładowania. Podczas gdy niektórzy producenci baterii odnoszą się do dat wygaśnięcia ich baterii w oparciu o liczbę cykli, może to być mylące, ponieważ określone baterie mogą nigdy nie osiągnąć tego punktu końcowego z powodu czynników zewnętrznych. Zamiast tego należy myśleć o cyklu życia akumulatora w kategoriach liczby cykli ładowania/rozładowania, które może on wykonać, zanim jego wydajność zacznie spadać.

Przykładem może być akumulator, który jest regularnie głęboko rozładowywany (DOD), aby obniżyć jego pojemność do 80%, zwykle przetrwa tylko 500 cykli ładowania-rozładowania, zanim jego wydajność zacznie się zauważalnie pogarszać. I odwrotnie, utrzymywanie baterii w dobrym stanie poprzez rozładowywanie ich do poziomu 70% lub 80% przed ponownym naładowaniem znacznie wydłuży ich żywotność powyżej 500 cykli.

Temperatura może również odgrywać istotną rolę w żywotności baterii, przyspieszając rezystancję wewnętrzną i utratę pojemności w miarę upływu czasu. Dlatego baterie litowe powinny być przechowywane w idealnej temperaturze, aby zminimalizować ekstremalne temperatury, które mogą zagrozić ich długowieczności.

Chociaż baterie litowe nie wymagają takiego samego poziomu dbałości jak baterie kwasowo-ołowiowe, nadal powinny być ładowane do około 80% stanu naładowania (SoC) co sześć do 12 miesięcy w celu uzyskania optymalnej wydajności. Zapewnia to natychmiastowe użytkowanie i zapobiega narastaniu wewnętrznej rezystancji, która w przeciwnym razie mogłaby doprowadzić do przedwczesnej degradacji ogniw. Aby uzyskać optymalne metody konserwacji, należy szukać ładowarek, które automatycznie utrzymują stałe napięcie, automatycznie uzupełniając stan naładowania w razie potrzeby.

Wysoka wydajność ładowania

Baterie litowe wykorzystują specjalny separator, który umożliwia jonom litu przemieszczanie się tam i z powrotem między katodą a anodą, aktywując wolne elektrony na anodzie, tworząc prąd elektryczny, który zasila urządzenia takie jak laptopy czy telefony komórkowe. Baterie litowe mogą być wielokrotnie ładowane bez utraty pojemności lub degradacji.

Niski współczynnik samorozładowania baterii litowych i ich unikalny skład chemiczny sprawiają, że jest to możliwe, wraz z ich wysoką gęstością energii, która pozwala im utrzymać więcej ładunku przez dłuższy czas niż inne chemikalia baterii - dzięki czemu lit jest doskonałym wyborem do zasilania przenośnej elektroniki, pojazdów elektrycznych i elektronarzędzi.

Skład chemiczny baterii litowych sprawia, że są one bezpieczniejsze i łatwiejsze w zarządzaniu, w przeciwieństwie do ich kwasowo-ołowiowych odpowiedników, które uwalniają szkodliwe gazy podczas ładowania lub rozładowywania i wytwarzają korozyjne emisje wodoru lub tlenu, dzięki czemu są bezpieczniejsze do przechowywania w ciasnych przestrzeniach.

Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów baterii litowych, ale litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) wyróżniają się jako popularna opcja ze względu na doskonałą stabilność termiczną, wysokie wartości znamionowe prądu, długą żywotność i tolerancję na nadużycia. Akumulatory LiFePO4 są powszechnie używane w zastosowaniach związanych z energią odnawialną, ponieważ oferują optymalną gęstość energii w odniesieniu do kosztów na cykl i względów bezpieczeństwa.

Baterie litowe charakteryzują się niską rezystancją wewnętrzną, co czyni je idealnym wyborem dla urządzeń o wysokim poborze prądu, takich jak samochody hybrydowe i elektryczne. Co więcej, baterie litowe szybko się ładują, co wydłuża ich żywotność i zwiększa trwałość tych urządzeń.

Baterie litowe mogą być przechowywane przez okres do jednego roku w temperaturze pokojowej bez negatywnych skutków; jednak przechowywanie baterii litowych zbyt długo lub w ekstremalnych temperaturach może spowodować ich przedwczesne zużycie.

Baterie litowe i zawierające je urządzenia elektroniczne nigdy nie powinny być wyrzucane do domowych pojemników na śmieci lub pojemników na surowce wtórne, ponieważ stwarza to zagrożenie pożarowe. Zamiast tego, przedmioty te powinny być odpowiednio poddane recyklingowi, aby pomóc chronić środowisko, jednocześnie zmniejszając ryzyko dla operatorów zajmujących się odpadami, recyklingiem i złomem.

Niski poziom samorozładowania

Baterie litowe stały się nieodzownym źródłem zasilania w naszych codziennych urządzeniach, od laptopów i telefonów komórkowych po samochody elektryczne i zastosowania przemysłowe. Baterie litowe są dobrze znane ze swojej wysokiej gęstości energii, długiej żywotności, możliwości ładowania i niskiego współczynnika samorozładowania - kluczowych cech długoterminowego przechowywania baterii, które pozwalają bateriom zachować pełną pojemność przez miesiące i lata bez dodatkowego ładowania lub rozładowywania.

Chociaż baterie litowe oferują wiele korzyści, wiele osób nie rozumie, że muszą być starannie konserwowane, aby zapewnić maksymalną wydajność i żywotność. Niestety, wiele baterii litowych nie jest w pełni wykorzystywanych z powodu niewłaściwych praktyk użytkowania i przechowywania - istnieją jednak kroki, które można podjąć, aby zmaksymalizować wartość inwestycji w baterie.

Samorozładowanie baterii litowych jest nieuniknione ze względu na reakcje uboczne między dodatnimi i ujemnymi materiałami elektrod i elektrolitami, które wytwarzają nierozpuszczalne produkty, które zmniejszają dostępne jony litu, powodując nieodwracalną degradację wydajności i pojemności.

Oprócz negatywnych reakcji ubocznych, również inne czynniki mogą negatywnie wpływać na wydajność i pojemność baterii litowych, w tym proces produkcji, warunki przechowywania i konstrukcja baterii. Zadziory na elementach biegunów spowodowane kwestiami związanymi ze środowiskiem produkcyjnym lub zanieczyszczeniami wprowadzonymi przez środowisko produkcyjne mogą powodować wewnętrzne zwarcia, które zwiększają szybkość samorozładowania.

Kolejnym czynnikiem jest starzenie się baterii litowych. Proces ten rozpoczyna się podczas produkcji, gdy są one ładowane i przechowywane przez dłuższy czas, podczas którego materiały anodowe wchodzą w interakcję z elektrolitami, tworząc warstwy pasywacyjne, które zwiększają impedancję, jednocześnie zmniejszając pojemność cykliczną. Co więcej, długotrwałe przechowywanie może skutkować tworzeniem się metalicznego litu na anodzie, co stwarza poważne obawy dotyczące bezpieczeństwa w wymagających środowiskach.