Avantajele unei baterii litiu-ion

Bateriile litiu-ion oferă o densitate energetică superioară în comparație cu alte tipuri de baterii, ceea ce le face alegerea optimă pentru electronice portabile, cum ar fi telefoanele și laptopurile.

Producătorii folosesc de obicei un anod de grafit și un electrolit format din săruri de litiu dizolvate în solvenți precum carbonatul de etilenă pentru o producție sigură și fiabilă de baterii cu litiu. Această chimie se bazează pe intercalarea ionilor de litiu în materiale conductoare de electricitate prin procese de intercalare care sunt relativ sigure și securizate.

Densitate energetică ridicată

Bateriile litiu-ion oferă o densitate energetică ridicată, făcând posibilă utilizarea unor electrozi mai subțiri, reducând astfel dimensiunea celulei și ducând la o amprentă mai mică. Această caracteristică face ca aceste baterii să fie deosebit de potrivite pentru aplicații portabile, cum ar fi telefoanele mobile sau vehiculele electrice, care necesită cantități mari de energie stocate în pachete mici pentru a parcurge distanțe lungi cu o singură încărcare.

Bateriile litiu-ion utilizează reacții redox pentru a stoca și furniza energie. Aceste reacții au loc simultan între un anod (de obicei din grafit), catozi, anozi compuși din litiu combinat cu un anumit tip de metal, cum ar fi nichel, mangan, cobalt sau chiar alte foițe de carbon groase de un singur atom și catozi compuși doar din litiu; anodul fiind un anod compus de obicei din grafit, dar cercetătorii explorează în prezent materiale mai avansate, cum ar fi nanotuburile de carbon sau grafenul, pentru viitoarele baterii comerciale. În schimb, catozii combină de obicei litiul cu un anumit tip de metal; care a fost utilizat pe scară largă în scopuri comerciale.

În timpul procesului de încărcare, încărcătoarele aplică un curent electric unei baterii, conducând electronii prin electrolit și deplasând ionii de litiu între electrozii pozitiv și negativ. După ce sunt încărcate complet, bateriile trebuie să se odihnească înainte de a începe ciclurile de descărcare, până când tensiunea lor atinge nivelul maxim de încărcare per celulă.

În prezent, bateriile litiu-ion au devenit alegerea de bază în ceea ce privește chimia bateriilor cu energie ridicată, fiind utilizate în aproape toate aplicațiile portabile și în peste jumătate din piețele de sisteme de propulsie pentru vehicule electrice. Densitatea mare de energie și prețul relativ mai mic în comparație cu alte tipuri de baterii cu energie ridicată le-au permis să pătrundă pe scară largă pe piețele de electronice de consum și de vehicule electrice din întreaga lume, stimulând cererea de baterii noi.

Cu toate acestea, în ciuda progreselor recente, mai multe obstacole rămân în calea succesului bateriilor. În timp ce o mare parte din literatura de specialitate abordează aspecte specifice ale chimiei și arhitecturii bateriilor, doar rareori sunt abordate în mod cuprinzător principiile fundamentale care determină performanța celulelor. Pentru a umple acest gol, prezenta lucrare analizează evoluțiile recente în tehnologia bateriilor de înaltă energie prin deconvoltarea acestora și revenirea la elementele fundamentale, investigând în același timp factorii care au un impact asupra duratei de viață, precum și mecanismele de degradare legate de factorii de stres operaționali; de asemenea, subliniază necesitatea adoptării unei abordări integrate de proiectare pentru dezvoltarea bateriilor.

Rata scăzută de autodescărcare

Bateriile litiu-ion pot fi găsite în multe dispozitive, de la laptopuri la telefoane mobile, oferind multe avantaje față de alte baterii chimice - unul dintre acestea fiind rata scăzută de autodescărcare. Înțelegerea motivului pentru care o baterie cu litiu își pierde sarcina în timp este esențială; rata sa de autodescărcare este determinată de reacțiile chimice ireversibile care au loc în celulă în timpul proceselor de încărcare, descărcare și stocare, care determină rata sa de autodescărcare.

Bateriile încărcate deplasează ionii de litiu între anod și catod prin procese cunoscute sub numele de intercalare și dezintercalare, alimentate de sursa de energie a circuitului lor extern. Pentru descărcare, electronii se deplasează înapoi de la electrodul pozitiv la electrodul negativ prin intermediul unui fir extern, creând electricitate care alimentează dispozitivele și luminile. Între timp, au loc unele reacții și transporturi interne pe măsură ce bateria se descarcă încet, dar într-un ritm mult mai lent decât în timpul încărcării.

De asemenea, bateriile se pot autodescărca atunci când sunt utilizate în mod necorespunzător, depozitate necorespunzător sau expuse la căldură. De exemplu, supraîncărcarea poate afecta stabilitatea stratului SEI al electrodului negativ și poate duce la ruperea acestuia; astfel, structura de grafit de dedesubt este expusă reacției cu soluția electrolitică și reducerii capacității. Microcurtcircuitele cresc ratele de autodescărcare din cauza impurităților sau a bavurilor de fabricație care pătrund în separator și provoacă scurtcircuite interne; acestea cresc exponențial ratele de autodescărcare.

Temperatura, substanțele chimice active și profilul de tensiune plat al majorității bateriilor cu litiu joacă un rol important în rata lor de autodescărcare. Pentru a maximiza durata de viață a acumulatorului litiu-ion, urmați recomandările producătorului în ceea ce privește instrucțiunile de depozitare și manipulare. Evitați temperaturile extreme atunci când depozitați bateria și țineți-o departe de orice obiecte metalice, deoarece contactul prelungit între obiectele metalice și baterie poate crește rata de autodescărcare a acesteia și poate provoca incendii. Bateria trebuie depozitată într-un mediu închis și uscat, cu un nivel optim de umiditate, pentru a-i prelungi longevitatea. Solvenții inflamabili utilizați în soluțiile electrolitului bateriei (de exemplu, carbonatul de dietil) prezintă un risc semnificativ de inflamabilitate; utilizarea alternativelor neinflamabile a contribuit la reducerea semnificativă a acestui risc.

Durată lungă de viață

Bateriile litiu-ion sunt una dintre cele mai durabile tehnologii de baterii reîncărcabile disponibile în prezent, având una dintre cele mai mari densități energetice dintre bateriile nichel-cadmiu, nichel-metal hidridă și plumb-acid. Densitatea lor energetică face ca bateriile litiu-ion să fie ideale atât pentru dispozitivele electronice portabile, cât și pentru vehiculele electrice.

Bateriile litiu-ion diferă de alte baterii reîncărcabile prin faptul că nu necesită cicluri regulate pentru a-și menține durata de viață, deoarece ionii de litiu sunt stocați în anozii de grafit printr-un proces de intercalare și încorporați fizic între straturile 2D de grafen care alcătuiesc grafitul în vrac, ceea ce le face rezistente la ciclurile de reîncărcare și descărcare.

Durata de viață a bateriilor litiu-ion depinde în mare măsură de modul în care bateria este utilizată și de alți factori critici care îi influențează durata de viață, cum ar fi căldura. Temperaturile crescute pot accelera degradarea unui electrolit care servește la reumplerea acesteia, scurtându-i semnificativ durata de viață.

Longevitatea bateriei depinde în mare măsură și de găsirea unei tensiuni de încărcare optime. Majoritatea bateriilor cu litiu sunt proiectate să funcționeze optim între 3,6 și 3,7 volți; depășirea acestui prag poate reduce durata de viață și performanțele acestora, deoarece supratensiunea poate crea scăpări termice periculoase.

DoD (adâncimea de descărcare) poate împiedica semnificativ durata de viață a unei baterii cu litiu prin controlul rapidității cu care energia stocată a fost epuizată; DoD joacă un rol esențial în longevitatea și durata de viață a bateriei. Încărcarea sau descărcarea bateriilor cu litiu înainte ca acestea să fi ajuns la epuizarea completă nu va face decât să scurteze durata de viață a acestora, ducând la acumulări interne și la scăderea capacității celulelor, scurtând durata de viață și diminuând durata de viață în timp.

Multe baterii litiu-ion vin cu o DoD specifică indicată pe ambalaj, care trebuie respectată cu strictețe pentru a preveni supraîncărcarea bateriei.

Pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, companiile producătoare de baterii au început să dezvolte metode inovatoare de prelungire a duratei de viață a bateriilor. Cercetătorii creează modele fizice, matematice și computaționale pentru a înțelege modul în care bateriile funcționează și se defectează, creând în același timp instrumente de diagnosticare pentru a monitoriza starea de sănătate în timpul funcționării și pentru a detecta defecțiunile în avans. În plus, se depun eforturi pentru îmbunătățirea capacităților de reciclare a bateriilor litiu-ion, precum și a oricăror produse care le conțin.

Prietenos cu mediul înconjurător

Bateriile litiu-ion sunt la baza multor dispozitive electronice, de la computere portabile și telefoane mobile la vehicule electrice și rețele electrice, oferind surse de energie de rezervă atunci când sursele regenerabile devin indisponibile. Însă bateriile cu litiu prezintă și probleme de mediu care trebuie luate în considerare.

Nichelul, un element esențial în bateriile cu litiu, a fost asociat cu poluarea mediului și cu degradarea terenurilor acolo unde este exploatat. Procesul de extracție utilizează cantități mari de apă - ceea ce creează dificultăți deosebite în regiunile secetoase în care are loc mineritul - și generează cantități mari de deșeuri toxice - cum ar fi acid sulfuric și hidroxid de sodiu - în timp ce producția de baterii consumă cantități mari de energie.

Deși electrificarea este un obiectiv admirabil, sursele de energie regenerabilă ar trebui să fie utilizate ori de câte ori este posibil. Deși bateriile litiu-ion au revoluționat viața umană și societatea deopotrivă, efectele lor nu ar trebui să fie luate de bune, deoarece pot exista încă ramificații negative asociate cu utilizarea unei astfel de tehnologii.

Pe termen scurt, nu este viabilă continuarea ritmului actual de consum al bateriilor litiu-ion. Pentru a combate această problemă, cercetătorii caută modalități de a crește capacitatea bateriilor, reducând în același timp consumul de litiu; o abordare poate implica utilizarea nanofirelor de siliciu combinate cu grafit și materiale liante în celule pentru a crește capacitatea, menținând în același timp tensiunile sigure.

O altă soluție implică înlocuirea carbonului cu un material cu o stabilitate mai mare în catodul bateriilor litiu-ion. Oamenii de știință de la Argonne National Laboratory au găsit un astfel de material și susțin că acesta este foarte promițător ca material catodic alternativ, fiind supus la mii de cicluri de încărcare-descărcare care demonstrează că poate stoca ioni de litiu cu o expansiune minimă a volumului.

EPA recomandă atât consumatorilor, cât și întreprinderilor să elimine în mod responsabil bateriile litiu-ion utilizate pentru a alimenta produse precum telefoanele mobile sau alte dispozitive electronice. Bateriile trebuie așezate cu grijă în pungi de plastic sigilate cu bandă neconductoare și aduse direct la un reciclator certificat de baterii electronice; orice așchii metalice rătăcite din electrozii sau electrolitul lor se pot scurge în pubelele de gunoi menajer sau în pubelele municipale de reciclare și ar putea deversa ioni metalici nocivi în mediu.