Litij-ionske baterije so ključna tehnologija za prehod na čisto energijo

Litijeve baterije učinkovito shranjujejo energijo, zato so odlična izbira za uporabo v električnih ali rekreacijskih vozilih. Litijeve baterije prav tako ohranjajo izjemno visoko raven napolnjenosti v daljšem časovnem obdobju.

Ker se litijevi ioni prek elektrolita pretakajo od anode do katode, sta priljubljena anodna materiala ogljik in silicij; katode so sestavljene iz kovinskih oksidov, kot so spinel, nikelj kobalt mangan ali litijev železov fosfat kot katode.

1. Shranjevanje energije

Litij-ionske baterije so imele enega največjih vplivov v nedavni zgodovini; utrle so pot revoluciji e-mobilnosti, zdaj pa so ključni dejavnik za prehod na čisto energijo. Njihova uporaba poganja vse več potrošniške prenosne elektronike - prenosne računalnike in mobilne telefone, električne avtomobile/hibridne avtomobile s priključkom/domovske sisteme za shranjevanje energije itd.

Baterije sestavlja pet osnovnih elementov: anoda, katoda, separator med elektrodama, raztopina elektrolita, ki z elektrolizo prenaša litijeve ione, in tokovni zbiralniki iz bakra in aluminija za povezavo z žicami. Med polnjenjem zunanji vir energije uporablja prenapetostno napetost, ki sili elektrone s pozitivnih elektrod proti negativnim elektrodam in z elektrolizo prenaša litijeve ione med anodo in katodo; pri praznjenju se zgodi obratno: litijevi ioni zapustijo eno elektrodo in se med elektrodami interkalirajo, medtem ko prosti elektroni odtekajo skozi žice in zagotavljajo tok, ki napaja naše naprave.

Anoda je lahko sestavljena iz različnih materialov, vendar sta grafit in litijev kobaltov oksid dva najbolj priljubljena anodna materiala. Katode so običajno sestavljene iz kovin, kot sta nikelj-kobalt-aluminij ali litijev-železov fosfat; njihova kemična sestava določa zmogljivost baterije: nikelj-kobalt-aluminij na primer zagotavlja daljšo življenjsko dobo cikla, medtem ko je litijev-železov fosfat lahko cenovno ugodnejši.

Trenutno je večina stroškov proizvodnje LiB namenjena proizvodnji elektrod in dodelavi celic - dva postopka, ki sta med časovno in energetsko najbolj intenzivnimi; skupaj porabita približno 40% zmogljivosti baterije. Ker se stroški surovin znižujejo, proizvodne zmogljivosti pa povečujejo, bi se morale cene LiB sčasoma še naprej zniževati.

2. Varnost

Nepravilno načrtovane in izdelane litijeve baterije zaradi vnetljivega tekočega elektrolita predstavljajo varnostno tveganje, če so poškodovane ali nepravilno napolnjene, kar lahko povzroči požar ali eksplozijo. Veliko dela je bilo vloženega v izboljšanje njihove zasnove in proizvodnje, da bi se to tveganje zmanjšalo; litij-ionska tehnologija se uporablja tudi za izdelavo trdnih baterij brez elektrolita.

Litij-ionske baterije se med vrstami akumulatorskih baterij odlikujejo z izjemno visoko gostoto energije, kar pomeni, da lahko manjše celice zagotavljajo enako količino energije kot večje baterije - idealno za prenosne naprave, kot so telefoni in digitalni fotoaparati, električna vozila, rekreacijska vozila in druge naprave, ki potrebujejo učinkovito energijo in so hkrati lahke.

Glavna prednost te vrste baterij je, da nimajo spominskega učinka, zato lahko uporabljate celotno zmogljivost brez skrbi, da bi sčasoma postala manj učinkovita. Vendar upoštevajte, da njena kemijska sestava ne prenaša dobro toplote, zato lahko shranjevanje pri višjih temperaturah povzroči nepopravljivo škodo.

Zato je nujno, da natančno preberete navodila za uporabo akumulatorja, da boste vedeli, kako najbolje skrbeti zanj in podaljšati njegovo življenjsko dobo. Na splošno velja, da z ohranjanjem hladnega prostora in neprekomernim polnjenjem podaljšate življenjsko dobo baterije in zagotovite njeno optimalno delovanje.

3. Lahka

Nikelj-kadmijeve in pozneje nikelj-metalhidridne baterije so bile več kot 100 let standardna izbira za prenosno elektroniko, od mobilnih telefonov do prenosnih računalnikov, dokler se v začetku 90. let prejšnjega stoletja ni kot alternativna tehnologija pojavila litij-ionska. Litij-ionske celice so lažje in zmogljivejše od svojih predhodnic, hkrati pa se ponašajo z dvojno energijsko gostoto in zmožnostjo polnjenja/razreševanja pri napetosti 3,6 V, kar omogoča oblikovanje baterijskih paketov s samo eno celico.

Litijeve baterije so v prenosnih računalnikih, električnih vozilih in brezžičnem električnem orodju. Litijeve baterije so odlične rešitve za shranjevanje sončne energije, saj se hitro polnijo in praznijo, prav tako pa so odlične rešitve za rezervno napajanje, kot so sistemi UPS ali zasilna napajanja.

Temperatura in vzorci uporabe vplivajo na življenjsko dobo litij-ionskih baterij, vključno z degradacijo zaradi izpostavljenosti vročini in pogostega prekomernega polnjenja. Vročina pospešuje degradacijo, pogosto prekomerno polnjenje pa jo še pospešuje; litij-ionske baterije nikoli ne smejo biti dlje časa izpostavljene ekstremnim temperaturam.

Obstajajo različne vrste litij-ionskih baterij, od katerih ima vsaka svoje prednosti in slabosti. Vaša uporaba, proračun in varnostne tolerance vam bodo pomagali določiti, katera vrsta litijeve baterije najbolje ustreza vašim potrebam. Štiri najbolj razširjene vrste baterij vključujejo baterije LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 in litijeve polimerne baterije - vsaka ponuja svojo lastno kemijo, hkrati pa si delijo osnove, kot so uporaba litijevih ionov za shranjevanje električne energije, zaščitena z izolacijsko plastjo za medsebojno zaščito elektrod in zaščitena z anodnim materialom, kot je LiCoO2; LiNMC uporablja manganove in nikljeve kombinirane katode, ki ponujajo visoko specifično energijo in odlično stabilnost - vsaka ponuja visoko specifično energijo po dostopni ceni!

4. Okolju prijazno

Litij-ionske baterije so nepogrešljiva tehnologija pri prehodu iz fosilnih goriv na obnovljive vire energije v prometnem in električnem sektorju. Zaradi dolge življenjske dobe, visoke gostote energije in možnosti hitrega polnjenja so litij-ionske baterije idealne za napajanje električnih vozil, električnega orodja ali prenosnih računalnikov, hkrati pa povečujejo ozaveščenost potrošnikov o rabi energije.

Litij-ionske baterije imajo lahko številne okoljske prednosti, vendar njihova proizvodnja in odstranjevanje še vedno vplivata na okolje. Litij-ionske baterije vsebujejo vnetljiv tekoči elektrolit, ki lahko ob nepravilnem odlaganju v okolje sprošča strupene snovi, ki ogrožajo kakovost tal in vode; ob nepravilnem odlaganju lahko povzročijo tudi požare na odlagališčih in v obratih za recikliranje baterij.

Proizvodnja litij-ionskih baterij pušča ogromen ogljični odtis zaradi rudarjenja in pridobivanja surovin iz zemlje, kot je rudarjenje v trdnih kamninah, pri čemer se za vsako pridobljeno tono sprosti 15 ton CO2. Poleg tega je za pridobivanje teh mineralov potrebna velika količina energije, ki izvira predvsem iz izgorevanja fosilnih goriv za namene pridobivanja.

Tudi izkopani sestavni deli baterij, kot so litij, nikelj, kobalt, grafit in aluminijasta folija, povzročajo emisije toplogrednih plinov, ki prispevajo k podnebnim spremembam, njihov prevoz in dobava pa dodatno povečujeta ogljični odtis našega planeta.

Ko se življenjska doba litij-ionskih baterij izteče, postanejo elektronski odpadki (e-odpadki). Na žalost jih veliko ni ustrezno recikliranih - pogosto končajo v komercialnih tokovih odpadkov in na odlagališčih, kjer se lahko nenamerno skrajšajo ali nevarno razstavijo, da bi iz njih pridobili majhne dragocene dele za namene žetve. To pogosto povzroči požare, ki dodatno prispevajo k podnebnim spremembam.

5. , ki jih je mogoče reciklirati.

Litijeve baterije vsebujejo tudi druge kovine, kot so nikelj, kobalt in baker, ter organske kemikalije in plastiko, ki lahko ob zavrženju puščajo strupene odplake v vodne poti in povzročijo požare, če jih zavržete v centrih za obdelavo odpadkov; Združenje okoljskih storitev Združenega kraljestva je poročalo o 250 požarih baterij med letoma 2019 in 2020 samo v centrih za obdelavo odpadkov! Poleg tega litijeve baterije predstavljajo varnostno tveganje, če jih zdrobimo ali prebodemo - pri teh dejanjih lahko pride do kratkega stika njihovih katod, kar vodi do notranjega zgorevanja - po podatkih Evropske konference recikliranja jekla so 90% teh požarov povzročile majhne litijeve baterije!

Trenutni statistični podatki kažejo, da se na svetu reciklira le pet odstotkov baterij; veliko se jih preprosto zavrže ali pošlje neposredno na odlagališča. Eden od razlogov je lahko njihova kompleksna sestava, kot so litij-ionske baterije, ki običajno vsebujejo 22% kobalta, 5-10% niklja in 5-7% litija; poleg tega je v njih lahko 15% organskih kemikalij in 7% plastike.

Čeprav je recikliranje litijevih baterij tehnično mogoče, je postopek drag in dolgotrajen, pa tudi neučinkovit; strokovnjak za shranjevanje energije pojasnjuje, da so za resnično učinkovitost potrebne surovine visoke čistosti, ki jih trenutno nimamo.

Organizacija PNNL je razvila revolucionarni postopek, ki vključuje drobljenje in mletje izrabljenih baterij v prah, kar je pomemben korak k cenejšemu recikliranju litijevih baterij. Uporaba hidrometalurških in pirometalurških tehnik za pridobivanje kovin iz starih baterij, ki se uporabljajo kot surovina za nove baterije, bi lahko sčasoma zmanjšala povpraševanje po mineralih redkih zemelj ali kovinah, katerih dobava bi se lahko v prihodnosti omejila.

V svojem bistvu se krožnost materialov nanaša na ustvarjanje neskončnega kroga, v katerem baterije začnejo svojo pot od prve uporabe v električnem vozilu, nato pa se reciklirajo in ponovno vključijo v proizvodne procese.