Lítium-iónové batérie sú kľúčovou technológiou pre prechod na čistú energiu

Lítiové batérie účinne uchovávajú energiu, takže sú vynikajúcou voľbou na použitie v elektrických alebo rekreačných vozidlách. Lítiové batérie si tiež dlhodobo udržujú mimoriadne vysokú úroveň nabitia.

Keďže ióny lítia prúdia z anódy do katódy cez elektrolyt, medzi obľúbené anódové materiály patrí uhlík a kremík; katódy pozostávajú z oxidov kovov, ako sú spinel, nikel, kobalt, mangán alebo fosforečnan lítny a železitý ako katódy.

1. Skladovanie energie

Lítium-iónové batérie mali jeden z najväčších vplyvov v nedávnej histórii; vydláždili cestu revolúcii v oblasti e-mobility a v súčasnosti slúžia ako kľúčové faktory prechodu na čistú energiu. Ich použitie poháňa čoraz širší sortiment spotrebnej prenosnej elektroniky - prenosné počítače a mobilné telefóny, elektrické autá/zásuvkové hybridy/systémy na uskladnenie energie v domácnostiach atď.

Batérie sa skladajú z piatich základných prvkov: anódy, katódy, separátora medzi elektródami, roztoku elektrolytu, ktorý prenáša ióny lítia elektrolýzou, a prúdových kolektorov z medi a hliníka na pripojenie k vodičom. Pri nabíjaní externý zdroj energie privádza prepätie, ktoré vytláča elektróny z kladných elektród smerom k záporným elektródam a elektrolýzou prenáša ióny lítia medzi anódu a katódu; pri vybíjaní dochádza k opačnému procesu: ióny lítia opúšťajú jednu elektródu a interkalujú sa medzi elektródami, zatiaľ čo voľné elektróny prúdia von cez vodiče a poskytujú prúd, ktorý napája naše zariadenia.

Anóda môže pozostávať z rôznych materiálov, ale grafit a oxid lítno-kobaltový sú dva najobľúbenejšie anódové materiály. Katódy sa zvyčajne skladajú z kovov, ako je nikel-kobalt-hliník alebo fosforečnan lítia a železa; ich chemické zloženie v konečnom dôsledku určuje výkonnosť batérie: napríklad nikel-kobalt-hliník poskytuje dlhšiu životnosť cyklu, zatiaľ čo fosforečnan lítia a železa môže byť nákladovo efektívnejší.

V súčasnosti sa väčšina nákladov na výrobu LiB venuje výrobe elektród a konečnej úprave článkov - dvom procesom, ktoré patria k časovo a energeticky najnáročnejším; spolu spotrebujú približne 40% kapacity batérie. S klesajúcimi nákladmi na suroviny a rozširujúcou sa výrobnou kapacitou by však ceny LiB mali časom naďalej klesať.

2. Bezpečnosť

Nesprávne skonštruované a vyrobené lítiové batérie predstavujú kvôli horľavému tekutému elektrolytu bezpečnostné riziko, keď sú poškodené alebo nesprávne nabité, čo môže viesť k požiarom alebo výbuchom. Veľa práce sa vynaložilo na zlepšenie ich konštrukcie a výroby s cieľom znížiť toto riziko; lítium-iónová technológia sa využíva aj na vytvorenie pevných batérií úplne bez elektrolytu.

Lítium-iónové batérie sa medzi dobíjateľnými batériami vyznačujú extrémne vysokou hustotou energie, čo znamená, že menšie články môžu poskytnúť rovnaké množstvo energie ako väčšie batérie - ideálne pre prenosné zariadenia, ako sú telefóny a digitálne fotoaparáty, elektrické vozidlá, rekreačné vozidlá a iné zariadenia, ktoré vyžadujú účinnú energiu pri zachovaní nízkej hmotnosti.

Hlavnou výhodou tohto typu batérie je, že netrpí pamäťovým efektom, preto môžete využívať jej plnú kapacitu bez obáv, že sa časom stane menej účinnou. Upozorňujeme však, že jej chemický zloženie neznáša veľmi dobre teplo, takže skladovanie pri vyšších teplotách by mohlo spôsobiť nenapraviteľné škody.

Preto je nevyhnutné pozorne si prečítať návod na používanie batérie, aby ste vedeli, ako sa o ňu najlepšie starať a predĺžiť jej životnosť. Vo všeobecnosti platí, že udržiavanie batérie v chlade a jej nepreťažovanie maximalizuje jej životnosť a zabezpečí optimálny výkon.

3. Ľahké

Nikel-kadmiové a neskôr nikel-metalhydridové batérie boli štandardnou voľbou pre prenosnú elektroniku od mobilných telefónov až po prenosné počítače viac ako 100 rokov, kým sa začiatkom 90. rokov neobjavili lítium-iónové batérie ako alternatívna technológia. Lítium-iónové články sú ľahšie a výkonnejšie ako ich predchodcovia, pričom sa môžu pochváliť dvojnásobnou energetickou hustotou, ako aj schopnosťou nabíjať/vybíjať pri napätí 3,6 V, čo umožňuje navrhovať batériové súpravy len s jedným článkom.

Lítiové batérie sa nachádzajú v prenosných počítačoch, elektrických vozidlách a akumulátorových elektrických nástrojoch. Lítiové batérie sú skvelým riešením na skladovanie solárnej energie, pretože sa rýchlo nabíjajú a vybíjajú - sú tiež skvelým riešením záložného napájania, ako sú systémy UPS alebo núdzové zdroje napájania.

Teplota a spôsoby používania majú vplyv na životnosť lítium-iónových batérií vrátane degradácie spôsobenej vystavením teplu, ako aj častým nadmerným nabíjaním. Teplo urýchľuje degradáciu, zatiaľ čo časté prebíjanie ju ešte urýchľuje; lítium-iónové batérie by nikdy nemali byť vystavené extrémnym teplotám na dlhší čas.

Existujú rôzne typy lítium-iónových batérií, z ktorých každá má svoje výhody a nevýhody. Vaša aplikácia, rozpočet a tolerancia bezpečnosti vám pomôžu určiť, ktorý typ lítiovej batérie najlepšie vyhovuje vašim potrebám. Medzi štyri najrozšírenejšie typy batérií patria batérie LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 a lítium polymérové batérie - každá z nich ponúka svoj vlastný odlišný chemický zloženie, pričom má spoločné základy, ako napríklad používanie iónov lítia na ukladanie elektrickej energie, chránené izolačnou vrstvou na vzájomnú ochranu elektród a chránené anódovým materiálom, ako napríklad LiCoO2; LiNMC využíva kombinované katódy mangánu a niklu, ktoré ponúkajú vysokú špecifickú energiu aj vynikajúcu stabilitu - každá z nich ponúka vysoký špecifický energetický výkon za prijateľné náklady!

4. Šetrné k životnému prostrediu

Lítium-iónové batérie sú nenahraditeľnou technológiou pri prechode od fosílnych palív k obnoviteľným zdrojom energie. Vďaka dlhej životnosti, vysokej hustote energie a schopnosti rýchleho nabíjania sú lítium-iónové batérie ideálne na napájanie elektrických vozidiel, elektrického náradia alebo prenosných počítačov a zároveň zvyšujú povedomie spotrebiteľov o využívaní energie.

Lítium-iónové batérie môžu ponúkať mnohé environmentálne výhody, ale ich výroba a likvidácia stále predstavujú environmentálne vplyvy. Lítium-iónové batérie obsahujú horľavý tekutý elektrolyt, ktorý by sa pri nesprávnej likvidácii mohol uvoľňovať do životného prostredia a ohrozovať tak kvalitu pôdy a vody; pri nesprávnej likvidácii by mohol spôsobiť aj požiare na skládkach a v zariadeniach na recykláciu batérií.

Výroba lítium-iónových batérií zanecháva obrovskú uhlíkovú stopu v dôsledku ťažby a získavania surovín zo zeme, napríklad pri ťažbe tvrdých hornín, pri ktorej sa na každú vyťaženú tonu uvoľní 15 ton CO2. Okrem toho si ťažba týchto nerastov vyžaduje obrovské množstvo energie, ktorá pochádza najmä zo spaľovania fosílnych palív na účely ťažby.

Vyťažené komponenty batérií, ako je lítium, nikel, kobalt, grafit a hliníková fólia, tiež produkujú emisie skleníkových plynov, ktoré prispievajú k zmene klímy, zatiaľ čo ich preprava a dodávka zvyšujú uhlíkovú stopu našej planéty.

Po skončení životnosti lítium-iónových batérií sa z nich stáva elektronický odpad (e-odpad). Bohužiaľ, mnohé z nich sa nerecyklujú správne - často končia v komerčných odpadových prúdoch a na skládkach, kde sa môžu neúmyselne skratovať alebo nebezpečne rozobrať na účely zberu malých cenných častí. To často vedie k požiarom, ktoré ďalej prispievajú k zmene klímy.

5. Recyklovateľné

Lítiové batérie obsahujú aj iné kovy, ako napríklad nikel, kobalt a meď, ako aj organické chemikálie a plasty, ktoré môžu pri likvidácii uniknúť do vodných tokov a pri likvidácii v strediskách na spracovanie odpadu môžu spôsobiť požiar; Asociácia environmentálnych služieb Spojeného kráľovstva zaznamenala 250 požiarov batérií len v rokoch 2019 až 2020 v strediskách na spracovanie odpadu! Lítiové batérie navyše predstavujú bezpečnostné riziko pri rozdrvení alebo prepichnutí - pri týchto činnostiach môže dôjsť ku skratu ich katód, čo vedie k vnútornému vznieteniu - podľa Európskej konferencie recyklátorov ocele 90% týchto požiarov spôsobili malé lítiové batérie!

Súčasné štatistiky ukazujú, že na celom svete sa recykluje len približne päť percent batérií; mnohé sa jednoducho vyhodia alebo sa priamo odvážajú na skládky. Jedným z dôvodov môže byť ich zložité zloženie, napríklad lítium-iónové batérie, ktoré zvyčajne obsahujú 22% kobaltu, 5-10% niklu a 5-7% lítia; okrem toho v nich môže byť 15% organických chemikálií a 7% plastov.

Hoci recyklácia lítiových batérií je technicky možná, tento proces je drahý a časovo náročný, nehovoriac o neúčinnosti; odborník na skladovanie energie vysvetľuje, že na to, aby boli skutočne účinné, potrebujú vysoko čisté suroviny, ktoré v súčasnosti nemáme.

PNNL vyvinula prelomový proces, ktorý zahŕňa drvenie a rozomieľanie vyradených batérií na prášok, čo je dôležitý krok k zlacneniu recyklácie lítiových batérií. Využívanie hydrometalurgických a pyrometalurgických techník na získavanie kovov zo starých batérií na použitie ako suroviny pre nové batérie by mohlo v konečnom dôsledku znížiť dopyt po mineráloch vzácnych zemín alebo kovoch, ktorých dodávky môžu byť v budúcnosti obmedzené.

Podstatou materiálovej cirkulácie je vytvorenie nekonečného cyklu, v ktorom batérie začínajú svoju cestu od prvého použitia v elektrickom vozidle pred recykláciou a opätovným zapojením do výrobných procesov.