Bateriile litiu-ion sunt o tehnologie cheie pentru tranziția către energia curată

Bateriile cu litiu stochează eficient energia, ceea ce le face o alegere excelentă pentru utilizarea în vehicule electrice sau de agrement. De asemenea, bateriile cu litiu mențin un nivel extrem de ridicat de încărcare în timp.

Deoarece ionii de litiu trec de la anod la catod prin intermediul electrolitului, materialele anodice populare includ carbonul și siliciul; catozii constau în oxizi metalici precum spinelul, nichel cobalt mangan sau fosfat de litiu și fier ca catozi.

1. Stocarea energiei

Bateriile litiu-ion au avut unul dintre cele mai mari impacturi din istoria recentă; au deschis calea către revoluția e-mobilității și acum servesc ca facilitatori cheie ai tranziției către energia curată. Utilizarea lor alimentează o gamă din ce în ce mai largă de produse electronice portabile de larg consum - computere portabile și telefoane mobile, mașini electrice/hibride plug-in/sisteme de stocare a energiei la domiciliu etc.

Bateriile sunt formate din cinci elemente principale: un anod, un catod, un separator între electrozi, o soluție electrolitică care transportă ionii de litiu prin electroliză și colectori de curent din cupru și aluminiu pentru conectarea la fire. În timpul încărcării, o sursă de energie externă aplică o tensiune de supratensiune care forțează electronii de la electrozii pozitivi către electrozii negativi și conduce ionii de litiu între anod și catod prin electroliză; în timpul descărcării are loc invers: ionii de litiu părăsesc un electrod și se intercalează între electrozi, în timp ce electronii liberi ies prin fire, furnizând curentul care alimentează dispozitivele noastre.

Un anod poate consta din diverse materiale, dar grafitul și oxidul de litiu-cobalt sunt două dintre cele mai populare materiale anodice. Catozii constau, de obicei, din metale precum nichel-cobalt-aluminiu sau fosfat de fier și litiu; compoziția lor chimică determină în cele din urmă performanța bateriei: de exemplu, nichel-cobalt-aluminiu asigură o durată mai mare a ciclurilor, în timp ce fosfatul de fier și litiu poate fi mai rentabil.

În prezent, cea mai mare parte a costurilor de producție a LiB este dedicată fabricării electrozilor și finisării celulelor - două procese care sunt printre cele care necesită cel mai mult timp și energie; acestea utilizează aproximativ 40% din capacitatea totală a bateriei. Cu toate acestea, având în vedere scăderea costurilor materiilor prime și extinderea capacității de producție, prețurile LiB ar trebui să continue să scadă în timp.

2. Siguranța

Din cauza electrolitului lor lichid inflamabil, bateriile cu litiu proiectate și fabricate incorect prezintă un risc de siguranță atunci când sunt deteriorate sau încărcate necorespunzător, putând duce la incendii sau explozii. S-au depus multe eforturi pentru a îmbunătăți proiectarea și fabricarea acestora pentru a reduce acest risc; tehnologia litiu-ion este, de asemenea, utilizată pentru a crea baterii în stare solidă fără electrolit.

Bateriile litiu-ion ies în evidență printre tipurile de baterii reîncărcabile prin faptul că au o densitate energetică extrem de mare, ceea ce înseamnă că celulele mai mici pot furniza aceeași cantitate de energie ca bateriile mai mari - ideal pentru dispozitive portabile precum telefoane și camere digitale, vehicule electrice, vehicule de agrement și altele care necesită energie eficientă, rămânând în același timp ușoare.

Acest tip de baterie are ca principal avantaj faptul că nu suferă de efectul de memorie; prin urmare, îi puteți utiliza întreaga capacitate fără să vă faceți griji că va deveni mai puțin eficientă în timp. Cu toate acestea, rețineți că chimia sa nu tolerează foarte bine căldura, astfel încât depozitarea la temperaturi ridicate ar putea provoca daune ireparabile.

Prin urmare, este vital să citiți cu atenție manualul de utilizare al acumulatorului pentru a ști cum să îl îngrijiți cel mai bine și să îi prelungiți durata de viață. În general, menținerea acesteia la rece și neîncărcarea excesivă o vor maximiza durata de viață a bateriei și vor asigura performanțe optime.

3. Greutate redusă

Bateriile nichel-cadmiu și, mai târziu, bateriile nichel-metal hidrură au fost alegerea standard pentru electronicele portabile, de la telefoane mobile la laptopuri, timp de peste 100 de ani, până când litiul-ion a apărut ca tehnologie alternativă la începutul anilor 1990. Celulele litiu-ion sunt mai ușoare și mai puternice decât predecesoarele lor, având în același timp o densitate energetică dublă, precum și capacitatea de încărcare/descărcare la 3,6 V, ceea ce permite proiectarea de pachete de baterii cu o singură celulă.

Bateriile cu litiu pot fi găsite în laptopuri, vehicule electrice și unelte electrice fără fir. Bateriile cu litiu reprezintă soluții excelente de stocare a energiei solare, deoarece se încarcă și se descarcă rapid - de asemenea, acestea reprezintă soluții excelente de alimentare de rezervă, cum ar fi sistemele UPS sau sursele de alimentare de urgență.

Temperatura și modelele de utilizare au un impact semnificativ asupra duratei de viață a bateriilor litiu-ion, inclusiv degradarea cauzată de expunerea la căldură, precum și supraîncărcarea frecventă. Căldura accelerează degradarea, în timp ce supraîncărcarea frecventă o grăbește și mai mult; bateriile litiu-ion nu ar trebui niciodată expuse la temperaturi extreme pentru perioade lungi.

Există diferite tipuri de baterii litiu-ion, fiecare dintre acestea oferind propriul set de avantaje și dezavantaje. Aplicația, bugetul și toleranța la siguranță vă vor ajuta să determinați ce tip de baterie cu litiu răspunde cel mai bine nevoilor dumneavoastră. Cele mai răspândite patru tipuri de baterii includ LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 și baterii cu polimeri de litiu - fiecare oferind propria chimie distinctă, dar împărtășind elemente fundamentale precum utilizarea ionilor de litiu pentru a stoca energia electrică, protejați de un strat izolator pentru a proteja electrozii unul de celălalt și protejați de un material anodic precum LiCoO2; LiNMC utilizează catozi combinați de mangan și nichel care oferă atât energie specifică ridicată, cât și stabilitate excelentă - fiecare oferind performanțe energetice specifice ridicate la costuri accesibile!

4. Ecologic

Bateriile litiu-ion sunt o tehnologie indispensabilă în tranziția sectoarelor noastre de transport și electricitate de la combustibilii fosili la sursele de energie regenerabile. Durata lungă de viață a bateriei, densitatea energetică ridicată și capacitatea de încărcare rapidă fac ca bateriile litiu-ion să fie ideale pentru alimentarea vehiculelor electrice, a uneltelor electrice sau a laptopurilor, sensibilizând în același timp consumatorii cu privire la utilizarea energiei.

Bateriile litiu-ion pot oferi multe avantaje de mediu, însă producția și eliminarea lor au încă un impact asupra mediului. Bateriile litiu-ion conțin electrolit lichid inflamabil care, dacă este eliminat în mod necorespunzător, ar putea elibera în mediu substanțe toxice care amenință calitatea solului și a apei; atunci când sunt eliminate în mod necorespunzător, acestea ar putea declanșa incendii în depozitele de deșeuri și în instalațiile de reciclare a bateriilor.

Producția bateriilor litiu-ion lasă o amprentă de carbon enormă din cauza mineritului și a extragerii materiilor prime din pământ, cum ar fi mineritul în roci dure, pentru fiecare tonă extrasă eliberându-se 15 tone de CO2. În plus, extragerea acestor minerale necesită cantități mari de energie, care provine în principal din arderea combustibililor fosili în scopul extracției.

Componentele bateriilor extrase din mine, cum ar fi litiul, nichelul, cobaltul, grafitul și folia de aluminiu produc, de asemenea, emisii de gaze cu efect de seră care contribuie la schimbările climatice, în timp ce transportul și livrarea acestora adaugă alte emisii de carbon la amprenta de carbon a planetei noastre.

Odată ce bateriile litiu-ion ajung la sfârșitul duratei lor de viață, acestea devin deșeuri electronice (e-waste). Din păcate, multe dintre ele nu sunt reciclate în mod corespunzător - ajungând adesea în fluxurile de deșeuri comerciale și în depozitele de deșeuri, unde pot fi scurtcircuitate din greșeală sau demontate în condiții nesigure pentru a recolta piese mici valoroase în scopul recoltării. Acest lucru duce adesea la incendii care contribuie și mai mult la schimbările climatice.

5. Reciclabile

Bateriile cu litiu conțin, de asemenea, alte metale, cum ar fi nichel, cobalt și cupru, precum și substanțe chimice organice și materiale plastice care, atunci când sunt aruncate, pot genera scurgeri toxice în cursurile de apă și pot provoca incendii atunci când sunt aruncate în centrele de tratare a deșeurilor; Asociația serviciilor de mediu din Regatul Unit a raportat 250 de incendii de baterii între 2019 și 2020 numai la centrele de tratare a deșeurilor! În plus, bateriile cu litiu prezintă riscuri de siguranță atunci când sunt zdrobite sau perforate - aceste acțiuni le pot scurtcircuita catozii, ducând la combustie internă - conform Conferinței Europene a Reciclatorilor de Oțel 90% din aceste incendii au fost cauzate de baterii mici cu litiu!

Statisticile actuale arată că doar aproximativ 5% din bateriile din întreaga lume sunt reciclate; multe sunt pur și simplu aruncate sau trimise direct la gropile de gunoi. Unul dintre motive poate fi compoziția lor complexă, cum ar fi bateriile litiu-ion care conțin de obicei 22% cobalt, 5-10% nichel și 5-7% litiu; în plus, acestea pot conține 15% substanțe chimice organice și 7% materiale plastice.

Deși reciclarea bateriilor cu litiu este posibilă din punct de vedere tehnic, procesul este costisitor și necesită mult timp, ca să nu mai vorbim de ineficiență; un specialist în stocarea energiei explică faptul că, pentru a fi cu adevărat eficiente, bateriile necesită materii prime de înaltă puritate pe care nu le deținem în prezent.

PNNL a dezvoltat un proces inovator, care implică mărunțirea și pulverizarea bateriilor EOL în pulbere, ca un pas important spre ieftinirea reciclării bateriilor cu litiu. Utilizarea tehnicilor hidrometalurgice și pirometalurgice pentru recuperarea metalelor din bateriile vechi în vederea utilizării ca materie primă pentru bateriile noi ar putea reduce în cele din urmă cererea de minerale sau metale de pământuri rare care s-ar putea confrunta cu restricții de aprovizionare în viitor.

În esența sa, circularitatea materialelor se referă la crearea unui ciclu fără sfârșit prin care bateriile își încep călătoria de la prima utilizare într-un vehicul electric, înainte de a fi reciclate și reintroduse în procesele de fabricație.