Ako funguje lítium-iónová batéria?

Lítiové batérie poháňajú mnohé elektronické zariadenia, od prenosných počítačov a telefónov až po systémy na uskladnenie energie. Vďaka ich ľahkej konštrukcii sú energeticky bohaté a zároveň sa dajú nabíjať, čo zaručuje ich maximálnu životnosť a spoľahlivosť.

Lítium-iónové batérie môžu byť pri likvidácii nebezpečné; tu sa dozviete, ako ich bezpečne recyklovať. Pri výrobe lítium-iónových batérií sa namiesto kovového lítia často používa oxid lítno-kobaltový (LiCoO2) a iné interkalačné materiály.

Čo je to lítium-iónová batéria?

Lítium-iónové batérie (Li-ion) sa široko používajú v elektronických zariadeniach, ktoré si vyžadujú vysokokapacitné úložisko energie, vrátane mobilných telefónov a prenosných počítačov, hračiek, ručného elektrického náradia a malých spotrebičov, ako sú ručné elektrické náradie a hračky, ako aj v elektrických vozidlách a systémoch skladovania energie. Li-ion batérie sú všeobecne známe svojou dlhou životnosťou, vysokou hustotou energie a dobrou zaťažiteľnosťou, ako aj dlhou životnosťou; na rozdiel od konkurenčných technológií - nikel-kadmiových alebo nikel-metal-hydridových - nedegradujú pri pravidelnom používaní ako iné nabíjateľné technológie, napríklad nikel-kadmiové alebo nikel-metal-hydridové, ako napríklad nikel-kadmiové alebo nikel-metal-hydridové.

Lítiové batérie vyrábajú elektrickú energiu prechodom iónov lítia medzi ich zápornou elektródou alebo anódou a kladnou elektródou alebo katódou cez roztok elektrolytu, čím sa vytvára elektrická energia. Majú jednu z najvyšších energetických hustôt spomedzi technológií nabíjateľných batérií - poskytujú približne 300 Wh/kg v porovnaní s približne 75 Wh/kg v prípade iných technológií.

Lítium-iónové batérie obsahujú viacero komponentov, aby boli bezpečné a spoľahlivé, napríklad separátor, ktorý zabraňuje dotyku článkov. Akékoľvek narušenie tohto separátora by mohlo mať za následok nahromadenie tepla v článku a vznik požiaru; okrem toho je táto batéria vybavená aj obvodom regulátora napätia a monitorom stavu nabitia, ktorý reguluje tok energie do nej a z nej.

Aktívne materiály v batériách - tie, ktoré tvoria katódu a anódu - môžu byť zložené z rôznych prvkov alebo zlúčenín; medzi najobľúbenejšie patria oxid kobaltnatý lítia (LiCoO2), oxid manganičitý lítia a fosfát lítia a železa. Pri výbere chemického zloženia batérie je dôležitým vodítkom meranie špecifickej energie a špecifického výkonu; meria sa ním kapacita, resp. zaťažiteľnosť.

Medzi ďalšie kľúčové faktory pri kúpe batérií patria fyzické vlastnosti, ako je veľkosť, tvar a hmotnosť. Vplyv môže mať aj typ zvolenej chémie, pretože rôzne katódové materiály majú v porovnaní s inými vyššiu odolnosť alebo účinnosť - napríklad batérie NMC kombinujú vo svojich anódach nikel-mangán-kobalt, čím sa dosahuje optimálna rovnováha medzi výkonom a nákladmi; ich štruktúra lepšie odoláva mechanickému namáhaniu a vyznačujú sa vysokou kapacitou nabíjacieho prúdu, čo umožňuje kratšie cykly bez straty kapacity.

Ako funguje lítium-iónová batéria?

Lítium-iónové batérie poháňajú väčšinu notebookov, mobilných telefónov a inej spotrebnej elektroniky; dokonca získavajú čoraz väčší podiel na trhu pre obytné vozidlá, lode a aplikácie s hlbokým cyklom. Ale čo presne sú lítium-iónové batérie? Fungujú inak ako tradičné olovené a nikel-kadmiové články, pretože ióny lítia sa pohybujú medzi kladnými elektródami (katódami) a zápornými elektródami (anódami) a vytvárajú elektrický prúd, ktorý napája vaše zariadenie.

Lítium-iónové batérie sa skladajú z troch hlavných častí: anódy, katódy a elektrolytu. Anóda je zvyčajne vyrobená z grafitu pre jeho vynikajúcu vodivosť, zatiaľ čo katóda môže pozostávať z oxidov kovov kobaltu lítneho (LiCoO2) alebo fosforečnanu lítneho železa (LiFePO4); oba prvky sú oddelené separátorom, ktorý prepúšťa iba elektróny.

Nabité batérie využívajú ióny lítia, ktoré sa pohybujú cez elektrolyt a separátor od katódy k anóde prostredníctvom elektrolytu; kladná aj záporná elektróda sú pokryté aktívnymi materiálmi (v podstate soľami) na prenos náboja; keď sa začne vybíjanie, ióny lítia z anódy sa pohybujú smerom ku katóde a vytvárajú s ňou uhlíkové väzby a záporné elektrické náboje, ktoré odvádzajú elektróny z akéhokoľvek zariadenia, ktoré batéria napája.

Technológia lítium-iónových batérií sa odlišuje od ostatných technológií batérií svojím reverzibilným procesom. Ióny sa v grafitových anódach ukladajú prostredníctvom interkalácie, čo je reakcia vkladania s vysoko reverzibilnými vlastnosťami, vďaka ktorým je anóda mimoriadne odolná voči degradácii a cyklovaniu.

Lítium-iónové batérie poskytujú vysokú hustotu energie v porovnaní s inými technológiami, pretože dokážu uskladniť viac iónov lítia. Okrem toho ich nižšia miera samovybíjania znamená, že vydržia dlhšie medzi jednotlivými dobíjaniami - vďaka tejto vlastnosti sú lítium-iónové batérie ideálne pre často používané notebooky a mobilné telefóny.

Aké sú rôzne typy lítium-iónových batérií?

Lítium-iónové batérie sa stali jednou z najobľúbenejších technológií nabíjateľných batérií pre zariadenia spotrebnej elektroniky vďaka ich vyššej hustote energie, strednému až vysokému napätiu článkov a nižšej hmotnosti v porovnaní s inými chemickými technológiami batérií. Očakáva sa, že lítium-iónové batérie prekonajú ostatné typy aj v oblasti dopravy a skladovania energie.

Predtým, ako sa presadili lítium-iónové batérie, boli nikel-kadmiové (NiCad) nabíjateľné batérie vedúcou technológiou nabíjateľných batérií. NiCad používajú ako elektródové materiály hydroxid nikelnatý a kovové kadmium, ktoré však rýchlo zastarávajú, pretože na trhu sa presadzujú lítiovo-iónové batérie.

Lítium-iónové batérie sa vyrábajú v mnohých variantoch, pričom medzi najobľúbenejšie patria batérie s oxidom lítnym (LCO). LCO majú vysokú energetickú hustotu a sú široko používané v mobilných zariadeniach, ako sú tablety, notebooky a digitálne fotoaparáty, ako aj v elektrických vozidlách.

Batéria LCO obsahuje nevodný elektrolyt zložený z organických uhličitanov, ako je etylén a propylénkarbonát, ktoré obsahujú komplexy iónov lítia. Je uložený vo vzduchotesnej nádobe, aby sa eliminoval prienik vlhkosti. Tak ako všetky batérie, aj jej výkon sa časom používaním zhoršuje; horúce a studené prostredie túto degradáciu urýchľuje, rovnako ako cykly prebíjania/vybíjania, ktoré prekračujú limity kapacity.

Lítium-mangán-kobalt-oxidové batérie (NMC) sú inovatívnym typom technológie lítium-iónových batérií, ktoré sú známe svojou bezpečnosťou a predĺženou životnosťou a často sa používajú v elektromobiloch alebo iných vysoko výkonných aplikáciách.

Lítium-iónové batérie sa okrem veľkosti a tvaru líšia aj zložením. Niektoré modely majú kovové puzdro, zatiaľ čo iné využívajú plastové puzdro alebo dokonca technológiu pevného skupenstva.

Elektrické vozidlo (EV) si vyžaduje lítium-iónovú batériu a systém riadenia batérie (BMS), pričom tento systém má zabrániť prebíjaniu a skratu, monitorovať údaje o stave/výkone batérie na účely podávania správ a poskytovať počítačovému systému informácie potrebné na bezpečnú prevádzku EV.

Aké sú výhody lítium-iónových batérií?

Lítium-iónové batérie majú najvyššiu energetickú hustotu spomedzi všetkých súčasných batérií, čo z nich robí ideálne riešenie pre modernú miniatúrnu elektroniku a bezdrôtové zariadenia. Okrem toho lítium-iónové články neobsahujú toxické kovy, ktoré sa vyskytujú v nikel-kadmiových a olovených článkoch, vďaka čomu je manipulácia s nimi a ich likvidácia po skončení životnosti bezpečnejšia.

Sú oveľa ľahšie ako iné typy batérií vďaka kombinácii uhlíka a lítia ako elektródových materiálov, pretože lítium sa môže ukladať s vysokou hustotou v grafitových anódach alebo LiCoO2 katódach - jeden lítiový ión na každých šesť atómov uhlíka - predtým, ako sa počas vybíjania presunie na katódu, kde sa vybije; jeho lítiové ióny sa potom spoja s elektrónmi na výrobu elektriny, ktorá poháňa naše telefóny a digitálne fotoaparáty.

Lítium-iónové batérie sa medzi ostatnými chemickými batériami vyznačujú tým, že si oveľa dlhšie zachovávajú nabitie, zvyčajne strácajú len približne päť percent každý mesiac. Typický lítium-iónový akumulátor zvyčajne stráca len okolo 5 percent.

Keďže dopyt po prenosnej elektronike, čisto elektrických vozidlách a stacionárnych úložiskách sa v budúcnosti zvýši, energetická hustota lítium-iónových batérií sa musí ďalej zvyšovať, aby ich bolo možné uspokojiť. Hlavnou výzvou je zvýšenie kapacity anódových materiálov z tvrdého uhlíka alebo grafitu; kremík má najvyššiu teoretickú kapacitu (372 mAh g-1), ale kvôli slabej cyklickej stabilite sa ťažko implementuje do elektrochemického článku.

Výskumníci skúmajú nové materiály na použitie ako katódy a anódy lítium-iónových batérií, pričom vodivé polyméry patria medzi najlepšie možnosti. Medzi takéto polyméry patria polyanilín (PANI), polypyrrol (PPY) a polytiofén (PT), ktoré vykazujú vysokú vodivosť pri izbovej teplote a zároveň sa dajú ľahko spracovať do tenkých plátov s nízkymi nákladmi a minimálnymi procesmi spracovania.

Lítium-iónové batérie sa vyznačujú mimoriadnou odolnosťou voči tepelnej nestabilite v porovnaní s inými chemickými skupinami batérií, ktorá by inak mohla viesť k nebezpečnému kovovému pokovovaniu lítia alebo nekontrolovateľnému požiaru. Je to vďaka zabudovaným ochranným obvodom navrhnutým v každom článku, ktoré zabraňujú prekročeniu prípustných hodnôt špičkového napätia počas nabíjania alebo vybíjania, ako aj monitorujú teplotu článkov, aby sa zabránilo ich prehriatiu.