Літій-іонні акумулятори - ключова технологія для переходу до чистої енергії

Літієві батареї ефективно зберігають енергію, що робить їх чудовим вибором для використання в електромобілях або рекреаційних транспортних засобах. Літієві батареї також підтримують надзвичайно високий рівень заряду протягом тривалого часу.

Оскільки іони літію течуть від анода до катода через електроліт, популярні анодні матеріали включають вуглець і кремній; катоди складаються з оксидів металів, таких як шпінель, нікель, кобальт, марганець або фосфат заліза літію в якості катодів.

1. Зберігання енергії

Літій-іонні акумулятори мали один з найбільших впливів у новітній історії; вони проклали шлях до революції електронної мобільності і зараз слугують ключовим фактором переходу до чистої енергії. Їх використовують для живлення все більшого спектру побутової портативної електроніки - ноутбуків і мобільних телефонів, електромобілів/гібридів/домашніх систем зберігання енергії тощо.

Батареї складаються з п'яти основних елементів: анода, катода, сепаратора між електродами, розчину електроліту, який транспортує іони літію шляхом електролізу, і струмознімачів з міді та алюмінію для підключення до проводів. Під час заряджання зовнішнє джерело живлення подає перенапругу, яка змушує електрони рухатися від позитивних електродів до негативних і переміщує іони літію між анодом і катодом шляхом електролізу; під час розряджання відбувається зворотний процес: іони літію залишають один електрод і переміщуються між електродами, а вільні електрони витікають через дроти, забезпечуючи струм, який живить наші пристрої.

Анод може складатися з різних матеріалів, але графіт і літій-кобальт-оксид є двома найпопулярнішими анодними матеріалами. Катоди зазвичай складаються з таких металів, як нікель-кобальт-алюміній або літій-залізо-фосфат; їхній хімічний склад зрештою визначає продуктивність батареї: наприклад, нікель-кобальт-алюміній забезпечує довший термін служби, тоді як літій-залізо-фосфат може бути більш економічно вигідним.

Наразі більша частина витрат на виробництво LiB припадає на виготовлення електродів і фінішну обробку елементів - два процеси, які є одними з найбільш трудомістких і енергоємних; загалом на них витрачається приблизно 40% ємності батареї. Однак зі зниженням вартості сировини та розширенням виробничих потужностей ціни на літій-іонні батареї повинні продовжувати знижуватися з часом.

2. Безпека

Через легкозаймистий рідкий електроліт неправильно спроектовані та виготовлені літієві батареї становлять загрозу безпеці при пошкодженні або неправильному заряджанні, що потенційно може призвести до пожеж або вибухів. Щоб знизити цей ризик, було докладено багато зусиль для вдосконалення їхньої конструкції та виробництва; літій-іонна технологія також використовується для створення твердотільних акумуляторів без електроліту.

Літій-іонні акумулятори вирізняються з-поміж інших типів акумуляторів надзвичайно високою щільністю енергії, а це означає, що менші за розміром елементи можуть забезпечити таку саму кількість енергії, як і більші акумулятори - ідеально підходять для портативних пристроїв, таких як телефони та цифрові камери, електромобілі, транспортні засоби для відпочинку та інші, які потребують ефективної потужності, залишаючись при цьому легкими.

Основна перевага цього типу акумуляторів полягає в тому, що вони не мають ефекту пам'яті, тому ви можете використовувати їхню повну ємність, не турбуючись про те, що з часом вони стануть менш ефективними. Однак зауважте, що його хімічний склад не дуже добре переносить високу температуру, тому зберігання при високих температурах може завдати йому непоправної шкоди.

Тому дуже важливо уважно прочитати інструкцію з експлуатації вашого акумулятора, щоб знати, як найкраще доглядати за ним і продовжити термін його служби. Загалом, якщо зберігати акумулятор у прохолодному місці та не перезаряджати його, ви продовжите термін його служби та забезпечите оптимальну продуктивність.

3. Легкий

Нікель-кадмієві, а пізніше нікель-металогідридні батареї були стандартним вибором для портативної електроніки від мобільних телефонів до ноутбуків протягом понад 100 років, поки на початку 1990-х років не з'явилася альтернативна технологія - літій-іонна. Літій-іонні елементи легші та потужніші за своїх попередників, мають вдвічі більшу щільність енергії, а також здатні заряджатися/розряджатися при напрузі 3,6 В, що дозволяє створювати акумуляторні батареї лише з одним елементом.

Літієві батареї можна знайти в ноутбуках, електромобілях та бездротових електроінструментах. Літієві батареї є чудовим рішенням для зберігання сонячної енергії, оскільки вони швидко заряджаються і розряджаються, а також є чудовим рішенням для резервного живлення, наприклад, в системах ДБЖ або аварійних джерелах живлення.

Температура та особливості використання впливають на термін служби літій-іонного акумулятора, включаючи деградацію, спричинену тепловим впливом, а також частим перезарядженням. Спека прискорює деградацію, а часте перезарядження ще більше прискорює її; літій-іонні батареї ніколи не слід піддавати впливу екстремальних температур протягом тривалого часу.

Існують різні типи літій-іонних акумуляторів, кожен з яких має свій набір переваг і недоліків. Визначити, який тип літієвої батареї найкраще відповідає вашим потребам, допоможуть сфера застосування, бюджет і вимоги до безпеки. Чотири найпоширеніші типи акумуляторів включають LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 і літій-полімерні акумулятори - кожен з них має свій власний хімічний склад, але має спільні основи, такі як використання іонів літію для зберігання електричної енергії, захищений ізоляційним шаром для захисту електродів один від одного і захищений анодним матеріалом, таким як LiCoO2; LiNMC використовує комбінований катод з марганцю і нікелю, який забезпечує високу питому енергію і відмінну стабільність - кожен з них пропонує високі питомі енергетичні характеристики при доступній вартості!

4. Екологічно чистий

Літій-іонні акумулятори є незамінною технологією для переходу транспортного та електроенергетичного секторів від викопного палива до відновлюваних джерел енергії. Тривалий час автономної роботи, висока щільність енергії та можливість швидкого заряджання роблять літій-іонні акумулятори ідеальними для живлення електромобілів, електроінструментів або ноутбуків, а також підвищують обізнаність споживачів щодо використання енергії.

Літій-іонні акумулятори можуть мати багато екологічних переваг, проте їх виробництво та утилізація все ще становлять загрозу для довкілля. Літій-іонні батареї містять легкозаймистий рідкий електроліт, який при неправильній утилізації може вивільняти токсичні речовини в навколишнє середовище, що загрожує якості ґрунту та води; при неправильному викиданні вони також можуть спричинити пожежі на звалищах та підприємствах з переробки батарей.

Виробництво літій-іонних акумуляторів залишає величезний вуглецевий слід через видобуток сировини з надр землі, наприклад, при видобутку кам'яних порід на кожну видобуту тонну вивільняється 15 тонн CO2. Крім того, видобуток цих корисних копалин вимагає величезної кількості енергії, яка в основному надходить від спалювання викопного палива для цілей видобутку.

Видобуті компоненти акумуляторів, такі як літій, нікель, кобальт, графіт і алюмінієва фольга, також спричиняють викиди парникових газів, які сприяють зміні клімату, а їх транспортування і доставка збільшують вуглецевий слід нашої планети.

Коли літій-іонні акумулятори вичерпують свій ресурс, вони стають електронними відходами (е-відходами). На жаль, багато з них не переробляються належним чином - часто вони потрапляють у комерційні потоки відходів та на звалища, де їх можуть ненавмисно закоротити або небезпечно розібрати, щоб зібрати дрібні цінні частини для заготівлі. Це часто призводить до пожеж, які ще більше сприяють зміні клімату.

5. Придатний для вторинної переробки

Літієві батареї також містять інші метали, такі як нікель, кобальт і мідь, а також органічні хімічні речовини та пластмаси, які при викиданні можуть витікати токсичними стоками у водні шляхи та спричиняти пожежі; Асоціація екологічних служб Великобританії повідомила про 250 пожеж батарейок у період з 2019 по 2020 рік лише в центрах переробки відходів! Крім того, літієві батареї становлять загрозу безпеці при розбиванні або проколюванні - ці дії можуть призвести до короткого замикання катодів, що призведе до внутрішнього горіння - за даними Європейської конференції переробників сталі 90% цих пожеж були спричинені маленькими літієвими батареями!

Поточна статистика показує, що лише близько п'яти відсотків батарейок у світі переробляється; багато з них просто викидаються або відправляються безпосередньо на звалища. Однією з причин може бути їх складний склад, наприклад, літій-іонні батареї, які зазвичай містять 22% кобальту, 5-10% нікелю та 5-7% літію; крім того, вони можуть містити 15% органічних хімікатів та 7% пластику.

Хоча переробка літієвих батарей технічно можлива, цей процес є дорогим і тривалим, не кажучи вже про його неефективність; фахівець зі зберігання енергії пояснює, що для того, щоб бути по-справжньому ефективними, вони потребують сировини високої чистоти, якої ми наразі не маємо.

PNNL розробила революційний процес, який передбачає подрібнення і розпилення EOL батарейок на порошок, що є важливим кроком на шляху до здешевлення переробки літієвих батарейок. Використання гідрометалургійних і пірометалургійних методів для вилучення металів зі старих батарей для використання в якості сировини для нових батарей може зрештою зменшити попит на рідкоземельні мінерали або метали, які в майбутньому можуть зіткнутися з обмеженнями в постачанні.

По суті, циклічність матеріалів означає створення нескінченного циклу, в якому батареї починають свій шлях від першого використання в електромобілі до переробки та повернення у виробничі процеси.