Lítium-iónové batérie sa vďaka svojej vysokej energetickej a výkonovej hustote, dlhej životnosti a rýchlemu nabíjaniu široko využívajú na napájanie spotrebnej elektroniky, ako sú mobilné telefóny a digitálne fotoaparáty.
Ich vysoký výkon spočíva v materiáloch použitých na katódu, ako sú oxid lítium-kobaltu, fosfát lítium-železa a zliatina niklu, mangánu a kobaltu (NMC). Okrem toho sú tieto batérie zvyčajne vybavené grafitovými anódami.
Náklady
Lítium-iónové batérie sa stali jedným z pilierov elektromobility. Vďaka svojej energetickej hustote dokážu poskytovať vysoký výkon v malých a ľahkých vyhotoveniach – sú ideálne pre spotrebnú elektroniku, elektrické náradie aj elektrické vozidlá. Navyše, vďaka vyššej špecifickej energii ponúkajú lítium-iónové batérie väčšiu kapacitu na kilogram než konkurenčné technológie.
Lítium-iónové batériové články sa skladajú z anódy, katódy a elektrolytu. Počas vybíjacích cyklov sa atómy lítium na anóde oddelia od svojich elektrónov, potom prechádzajú cez elektrolyt ku katóde, kde sa s nimi opäť spoja a vytvoria ióny, ktoré sú elektricky neutrálne; počas nabíjacích cyklov sa tieto ióny vracajú cez elektrolyt späť k anóde, kde dochádza k ich nabitiu.
Ceny lítium-iónových batérií sa za posledné desaťročie výrazne znížili, avšak ak majú byť vozidlá s čisto elektrickým pohonom (BEV) konkurencieschopné voči vozidlám so spaľovacím motorom a ak má stacionárne ukladanie energie dosiahnuť potrebný rozsah, bude potrebné ich ďalej znižovať.
Súčasná technológia lítium-iónových batérií je viac ako dvakrát nákladovo efektívnejšia než predchádzajúce generácie, pričom ceny od začiatku 90. rokov klesli o viac ako 80% vďaka metódam hromadnej výroby a technologickým inováciám.
Náklady na lítium-iónové batérie sa v priebehu času výrazne znížili, avšak ich ďalšie zníženie bude kľúčové pre ich široké uplatnenie v rôznych oblastiach. Evelina Stoikou zo spoločnosti BloombergNEF nedávno uskutočnila výskum, v ktorom skúmala, ako sa znížili náklady na komponenty a suroviny pre lítiové batérie vďaka rozšíreným výrobným kapacitám v rámci dodávateľských reťazcov, ako aj vďaka inováciám v oblasti materiálov, konštrukcie batériových modulov a výroby článkov, ktoré sú kľúčovými faktormi poháňajúcimi tento trend.
Prístup modelovania „zdola nahor“ použitý v správe zohľadňuje náklady na každú zložku výroby lítium-iónových batérií, čo umožňuje porovnávať rôzne konštrukcie článkov a výrobné procesy. Zohľadňuje faktory, ako sú ceny surovín, technologické požiadavky na hotové výrobky a dopyt po zdrojoch vo výrobných procesoch, s cieľom identifikovať faktory ovplyvňujúce náklady, ktoré by mohli umožniť ich ďalšie zníženie. Dúfajme, že táto analýza odhalí potenciálne faktory ovplyvňujúce náklady a povedie k väčšiemu zníženiu výrobných nákladov na lítium-iónové batérie.
Kapacita
Lítium-iónové batérie sa v súčasnom svete stali hlavným zdrojom energie pre spotrebnú elektroniku, ako aj pre elektrické vozidlá a systémy na ukladanie energie, čo pre výrobcov batérií predstavuje nové výzvy. Kľúčom k výkonu lítium-iónových batérií je ich kapacita. Na výpočet kapacity jedného článku potrebujete informácie, ako je jeho typ, napätie a história nabíjacích cyklov; nominálne napätie vynásobte menovitým vybíjacím prúdom, čím získate ampérhodiny (Ah).
Lítium-iónové batérie sa zvyčajne skladajú z dvoch elektród: anódy, ktorá uvoľňuje elektróny, a kladnej elektródy, teda katódy, kam sa elektróny vracajú. Lítiové ióny sa medzi týmito elektródami pohybujú prostredníctvom elektrolytického roztoku; lítiové ióny v materiáli katódy majú väčšiu chemickú afinitu, vďaka čomu dokážu ľahšie ukladať elektróny než ich náprotivky v anóde – práve to robí lítium-iónové batérie mimoriadne účinnými.
Lítium-iónové batérie sa skladajú z anódy z grafitu alebo iného materiálu na báze uhlíka s pridaním kremíka na zvýšenie kapacity a z katódy tvorenej lítium-mangánovým spinelom, čo je nezvyčajná minerálna štruktúra schopná ukladať lítiové ióny vo svojich vrstvách. Prvú dobíjateľnú lítium-iónovú batériu vyvinul M. Stanley Whittingham v 70. rokoch 20. storočia, pričom ako katódový materiál použil disulfid titánu a ako anódy oxid hlinito-lítny; John Goodenough ju následne vylepšil použitím katód zo zliatiny niklu a kobaltu.
Spoločnosť Commodity Insights odhaduje, že celosvetový dopyt po lítium-iónových batériách rýchlo rastie, pričom sa predpokladá, že celosvetová výrobná kapacita do roku 2030 dosiahne 6,5 TWh. Bohužiaľ, suroviny potrebné na výrobu lítium-iónových batérií sú naďalej nedostatkové; zdĺhavé schvaľovacie a stavebné lehoty nových ťažobných projektov by mohli do roku 2025 spôsobiť nedostatok kľúčových komponentov batérií.
Bezpečnosť
Lítium-iónové batérie napájajú mnohé prenosné spotrebné elektronické zariadenia a elektrické vozidlá, avšak v prípade poruchy môžu spôsobiť požiar. Ak sa batéria nabíja príliš rýchlo alebo sa prehreje, lítiové ióny v nej sa môžu začať pohybovať a spôsobiť tak tzv. tepelné vymknutie, čo vedie k požiaru v samotnej batérii – tento jav sa nazýva tepelné vymknutie. Požiare spôsobené lítium-iónovými batériami sa môžu ťažko hasiť; hasiace prístroje na vodnej báze môžu poskytnúť dočasný chladiaci účinok, ale nedokážu úplne uhasiť zdroj energie, kým sa táto energia nevyčerpá; existujú špeciálne gélové hasiace prístroje na lítium-iónové batérie, tie sa však zatiaľ nestali populárnymi; pre maximálnu účinnosť je nevyhnutné používať pri nabíjaní výhradne schválené produkty určené pre lítium-iónové batérie!
Lítium-iónové batérie si vyžadujú dôkladnejšie testovanie vzhľadom na ich vyššiu energetickú hustotu v porovnaní so staršími olovenými alebo niklovými batériami, a to kvôli prísnym požiadavkám na montáž článkov, ktoré vyplývajú z ich vyššej hustoty, ako aj kvôli potenciálnemu riziku vniknutia kovového prachu cez medzery medzi separátormi a následného skratu článkov – čo sa síce stáva zriedka, ale môže sa to stať.
K zlyhaniu batérií môže viesť aj mechanické poškodenie. Klinec, ktorý prenikne do batérie typu 18650 vo vnútri jej obalu, nemusí hneď spôsobiť poruchu článku, ale môže poškodiť separátor aj aktívne materiály, čo môže potenciálne viesť k úniku elektrolytu z článku. Pre optimálnu bezpečnosť batérií je najlepšou praxou nabíjať batérie typu 18650 na tvrdom povrchu, ako je betón alebo kov, a nie v blízkosti zdrojov vznietenia, ako sú napríklad zdroje požiarneho nebezpečenstva, zatiaľ čo veľké batérie, ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v elektrických bicykloch alebo kolobežkách, je najlepšie nabíjať v garáži alebo v kôlni, a nie v obytných priestoroch v blízkosti východov alebo obývačiek.
Ak je batéria na dotyk horúca, stráca svoj tvar alebo z nej vychádza nezvyčajný zápach, mala by sa okamžite zlikvidovať. Batérie a zariadenia, ktoré ich obsahujú, sa nikdy nesmú vyhadzovať do bežných odpadkových košov, pretože sa môžu vznietiť počas prepravy alebo likvidácie na skládkach či v recyklačných strediskách. NFPA ponúka súbor materiálov pre kampaň, ktorý pomáha predstaviteľom miestnych komunít vzdelávať obyvateľov o dôležitosti bezpečného nakladania s lítium-iónovými batériami prostredníctvom obrázkov, videí a informačných letákov, ktoré môžu zdieľať s médiami vo svojej oblasti.
Vplyv na životné prostredie
Lítium-iónové batérie sú kľúčové pre našu nízkouhlíkovú budúcnosť, keďže slúžia na ukladanie energie pre elektrické vozidlá a na výrobu elektriny z obnoviteľných zdrojov. Bohužiaľ, ich výroba spôsobuje značné emisie skleníkových plynov a zároveň si vyžaduje značné množstvo energie z fosílnych palív na ťažbu surovín potrebných na výrobu článkov, modulov a batériových blokov. To všetko je potrebné zohľadniť.
Pri výrobných procesoch často vznikajú nebezpečné odpady, ktoré predstavujú riziko pre ľudské zdravie a životné prostredie, a preto je potrebné dodržiavať správne postupy pri ich skladovaní, preprave a likvidácii.
Pochopenie všetkých dôsledkov prevádzky batérií je kľúčové pre zabezpečenie súladu s miestnymi a federálnymi predpismi a zároveň pre zmiernenie rizík vyplývajúcich z vašich činností; medzi opatrenia môže patriť zavedenie primeraných bezpečnostných protokolov, školenie zamestnancov v oblasti postupov likvidácie batérií a dohľad nad týmito postupmi.
Lítium-iónové batérie majú pri nesprávnej manipulácii alebo skladovaní nepriaznivý vplyv na životné prostredie. Lítium-iónové batérie sú vysoko horľavé, môžu explodovať alebo spôsobiť požiar; majú úzke rozmedzie stability a citlivé chemické vlastnosti, vďaka čomu sú náchylné na tepelné vymknutie, čiže rýchly nárast teploty článkov, po ktorom nasleduje uvoľnenie plynu a požiar – tieto udalosti môžu poškodiť okolité stavby a zároveň zanechať trvalé environmentálne následky.
Aby sa zabránilo šíreniu požiarov lítium-iónových batérií do okolia, je nevyhnutné, aby ich riziká účinne riadila špecializovaná jednotka. Takéto jednotky sú navrhnuté tak, aby batérie bezpečne zadržali vo svojich priestoroch a zároveň z nich odsávali nebezpečné plyny, dym a popol – a zároveň zabraňovali šíreniu plameňov do širšieho okolia prostredníctvom vnútorného potrubia svojich krytov.
Je mimoriadne dôležité si uvedomiť, že kapacita lítium-iónových batérií sa v priebehu času postupne znižuje v dôsledku viacerých faktorov, ako sú teplota a stav nabitia batérie. Vysoké teploty môžu spôsobiť zmäknutie konštrukčných materiálov a tvorbu plynu, čo vedie k poruchám najslabších častí. Prebíjanie a nadmerné vybíjanie tiež urýchľujú stratu kapacity.