Hitra širitev električnih vozil (EV) je povečala povpraševanje po surovinah, ki se uporabljajo za proizvodnjo litijevih baterij, zaradi česar jih je treba pridobivati iz neizkoriščenih rudnin – to pa sproža tako okoljske kot družbene pomisleke.
Litijeve baterije se med seboj razlikujejo po količini energije, ki jo lahko shranijo, in po številu ponovnih polnjenj, zato je izbira prave baterije za vašo konkretno uporabo ključnega pomena.
Litij-ionska kemija
Litij-ionske baterije so se hitro uveljavile kot ena od najbolj priljubljenih tehnologij v potrošniški elektroniki, kot so mobilni telefoni in prenosni računalniki, vse pogosteje pa se uporabljajo tudi v hibridnih avtomobilih. Njihova visoka energijska gostota omogoča shranjevanje večje količine energije na manjšem prostoru kot pri tradicionalnih tehnologijah baterij.
Litij-ionske baterije se lahko varno uporabljajo, če se pri tem upoštevajo določena varnostna navodila. Čeprav je tveganje za požar pri njih manjše kot pri litij-kovinskih baterijah, lahko nepravilno ravnanje z njimi kljub temu predstavlja nevarnost.
Litij-ionske baterije delujejo na principu interkalacije in ekstrakcije, pri čemer se litijevi ioni premikajo sem in tja med anodo in katodo, s čimer nastane elektrolitska raztopina, sestavljena iz nevodnih topil, kot sta etilen karbonat ali propilen karbonat, ki ju obdaja. Zaradi močne afinitete litija do vode v to baterijo nikoli ne sme priti vlaga.
Razrejanje poteka tako, da se litijevi ioni premikajo iz anode v elektrolitsko raztopino, kjer jih električni tok sprosti iz vezavnih mest in se tako osvobodijo vezi z anodo – s čimer se elektroni sprostijo in lahko prosto tečejo po zunanjih vodnikih, da se opravi delo.
Litij-ionske baterije imajo v primerjavi z drugimi vrstami baterij številne prednosti, med katerimi so dobra energetska učinkovitost in visoko razmerje med močjo in težo, nizka stopnja samopraznjenja, dolga življenjska doba ter prenosna zasnova. Tehnologija litij-kobaltovega oksida omogoča večjo energijsko gostoto kot druge alternative pri litij-ionskih avtomobilskih baterijah.
Elektroliti
Elektroliti so življenjsko pomembni minerali, ki so nujni za hidracijo našega telesa in delovanje celic, pa tudi za splošno dobro počutje, saj preprečujejo utrujenost, vrtoglavico in glavobole. Pomanjkanje elektrolitov lahko celo privede do dehidracije, ki znatno vpliva na kakovost življenja in močno moti vsakdanje rutine.
Litij-ionske baterije temeljijo na nevodnih elektrolitih, da se izognejo reakcijam z vodo in zaščitijo elektrode pred razgradnjo. Pogosto vsebujejo organske karbonate, kot sta etilenkarbonat ali propilenkarbonat, skupaj s kompleksi, ki vežejo litijeve ione v raztopini; ta tekoči elektrolit nato omogoča gibanje ionov med anodno in katodno elektrodo, pri čemer nastaja električna energija.
Ko se litijevi ioni med praznjenjem prek elektrolita premikajo z anode na katodo, poteka proces vstavljanja ali interkalacije, pri katerem se njihovi elektroni prenesejo s katode. S tem se sprošča kemična energija, shranjena v zunanjem tokokrogu celice; med polnjenjem se isti ioni ponovno združijo s svojimi elektroni in tako ustvarijo električno energijo.
Dinca in njegova ekipa razvijajo alternativne materiale za baterije, ki vsebujejo manj kobalta, na primer natrij ali magnezij. Takšne baterije bi bile lažje in cenejše, kar bi jih naredilo privlačnejše za potrošnike. Baterije brez kobalta naj bi imele daljšo življenjsko dobo, bile lažje reciklirane in morda celo varnejše za prevoz in skladiščenje kot tiste s kobaltom.
Katoda
Katoda je eden od ključnih sestavnih delov litijevih baterij. Deluje kot električni prevodnik in omogoča gibanje litijevih ionov med anodo in katodo med procesi praznjenja in polnjenja. Katode so lahko sestavljene iz različnih materialov, kot so oksidi litija in prehodnih kovin, vanadijevi oksidi, oksidi na osnovi mangana ali litijevi fosfati, ki omogočajo reverzibilno vstavljanje in izločanje litijevih ionov med cikli praznjenja in polnjenja.
Anoda je negativna elektroda, ki med praznjenjem celice skrbi za oddajanje elektronov v zunanji tokokrog. Nasprotno pa katode v elektrokemijski redukcijski reakciji na svoji pozitivni elektrodi združujejo pozitivno nabite litijeve ione z elektroni. Elektrolit služi kot posrednik pri prenosu litijevih ionov in elektronov med anodo in katodami; sam ne sodeluje v elektrokemijski reakciji.
Razviti so bili številni različni katodni materiali; tri najpogostejše v sedanji proizvodnji so LiCoO₂, LiMn₂O₄ in LiFePO₄. Vsi temeljijo na litij-ionski kemiji, vendar se njihova zmogljivost shranjevanja energije in stabilnost pri ponavljajočih se ciklih med posameznimi modeli razlikujejo.
Litij-ionske baterije so tako glede energijske gostote kot tudi življenjske dobe odvisne od svojih katod, saj ta komponenta shranjuje velike količine litijevih ionov z visoko prevodnostjo in jih mora shraniti v velikih količinah, da lahko deluje optimalno. Za nadaljnje zmanjšanje upora in izboljšanje zmogljivosti se lahko kot prevodni dodatki dodajo različni prevodni dodatki, kot so saj (CB), amorfni ogljik (AC) ali ogljikova vlakna (CF); v tabeli 2 so predstavljeni rezultati vpliva teh dodatkov na zmogljivost praznjenja in ciklično zmogljivost različnih katodnih materialov v primerjavi z različnimi prevodnimi dodatki.
Anoda
Učinkovitost litij-ionskih baterij je v veliki meri odvisna od materialov elektrod – znanih tudi kot anode in katode –, ki imajo ključno vlogo pri energijski gostoti in uravnavanju napetostnega območja. Večina litijevih baterij uporablja ogljikove anode in katode; vendar pa raziskovalci preučujejo alternativne rešitve.
Razrejanje poteka tako, da anoda prek interkalacije sprošča litijeve ione v katodo, s čimer ustvarja tok in moč. Pri polnjenju pa se zgodi ravno nasprotno. Namesto da bi se litijevi ioni prek interkalacije sproščali v katodo, vstopijo v elektrolit (sestavljen iz litijevih soli, suspendiranih v topilu dimetilkarbonata). Od tam potujejo nazaj proti anodi in na koncu skozi to raztopino ponovno izstopijo, s čimer zaključijo svoj tok v obratni smeri.
Standardne grafitne anode ni mogoče uporabljati dolgoročno, saj se zaradi ponavljajočega vstavljanja litija razkrojijo in izgubijo zmogljivost, zaradi česar ne ostanejo nobene delujoče LIB-celice. Predlagane so bile alternative, kot so kovinski hidroksidi; vendar njihove visoke interkalacijske napetosti zmanjšujejo energijsko gostoto teh baterij.
Podjetje Amprius, ki se ukvarja z materiali za baterije, je kot eno od možnih rešitev razvilo anodo s silicijevim ovojem, v katerem so zaprti silicijevi nanovodi. Anoda je bila že testirana v baterijskem sklopu pseudosatelita Airbus Zephyr S za testne namene, njena zmogljivost pa je bila izjemna: zdržala je več sto polnilnih ciklov, pri čemer je proizvedla več kot 435 Wh/kg energije.
Elektrodni ločevalnik
Separator je ključni sestavni del litijevih baterij, ki služi za ločevanje pozitivne in negativne elektrode, hkrati pa omogoča pretok litijevih ionov. Izdelan je iz porozne membrane iz različnih poliolefinskih materialov, kot sta polietilen ali polipropilen, njegova velikost pa vpliva na količino toka, ki se lahko odvzame med praznjenjem, ter določa stabilnost med cikliranjem.
Poroznost ločevalnika mora biti zadostna, da omogoča prost pretok litijevih ionov med elektrodami, pri čemer morajo biti pore široko razporejene in se zapreti, ko se baterija odklopi ali izklopi; optimalna velikost por je med 30 in 100 nanometri. Poleg tega mora biti tudi njegova prevodnost visoka.
Pomembna je tudi omočljivost ločevalnika; med delovanjem celice mora v svoje pore vpiti ustrezno količino elektrolita, ne da bi pri tem prišlo do nastajanja dendritov in rasti SEI-plasta. Uporabijo se lahko različni materiali za separatorje, kot so netkano PP, mikroporozno enoslojno PP, celuloza, steklena vlakna, PTFE ali trislojno PP/PE/PP; nekateri imajo izboljšane lastnosti, kot so povečana odpornost proti oksidaciji ali afiniteta/omokljivost z elektroliti; te izboljšave znatno prispevajo k varnosti in življenjski dobi baterije.
Tokovni zbiralniki
Tokovodniki so bistvena sestavina litijevih baterij, saj omogočajo pretok elektronov med katodno in anodno elektrodo, s čimer bateriji pomagajo doseči visoko energijsko gostoto ter izboljšati varnost in zmogljivost. Zasnovani morajo biti tako, da zdržijo visoke delovne napetosti, ne da bi pri tem prišlo do korozije njihovih elektrod.
Kovine, kot sta aluminij in baker, se pogosto uporabljajo kot tokovni zbiralniki zaradi njihove relativne cenovne dostopnosti in odlične električne prevodnosti, vendar je zaradi njihove krhkosti potrebna večja debelina, da se ohrani mehanska celovitost.
Znanstveniki iz NREL-a so razvili nov način za zmanjšanje debeline tokovnih kolektorjev ob hkratnem povečanju energijske gostote. Metoda vključuje premazovanje aktivnih materialov iz ločevalnikov litijevih baterij z lepilom, s čimer nastanejo tanki, a lahki tokovni kolektorji, ki bodo pripomogli k večji energetski učinkovitosti litijevih avtomobilskih baterij.
Znanstveniki raziskujejo načine za zmanjšanje debeline tokovnih kolektorjev in hkratno povečanje njihove elektrokemijske stabilnosti. Materiali na osnovi ogljika omogočajo okolju prijaznejše proizvodne procese v primerjavi s kovinskimi in se vse pogosteje uporabljajo kot tokovni kolektorji.
Tokovni zbiralniki na osnovi ogljika ponujajo številne prednosti v primerjavi s svojimi bolj togimi protipostavkami, med drugim so lažji in dovolj prožni, da izboljšajo energijsko gostoto in zmogljivost baterije – kar je vse bolj pomembna zahteva glede na naraščajočo priljubljenost litij-ionskih baterij.