Baza wiedzy

Baterie litowo-jonowe

Czym są baterie litowo-jonowe?

Bateria litowo-jonowa (akumulator litowo-jonowy) to jeden z najpowszechniej stosowanych obecnie rodzajów akumulatora elektrycznego (ogniwa wielokrotnego użytku). Nazwę zawdzięcza swojej zasadzie działania – przy rozładowywaniu akumulatora jony litu przemieszczają się z elektrody ujemnej (anody) poprzez elektrolit do elektrody dodatniej (katody), gdy elektrony przepływają przez zewnętrzny obwód. Przy ładowaniu baterii kierunek ruchu jonów jest odwrotny.

działanie akumulatora litowo-jonowego
Działanie akumulatora litowo-jonowego. Źródło: Computerworld

Cechy i wielkości charakterystyczne

W porównaniu z innymi ogniwami wtórnymi akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się wysoką grawimetryczną i wolumetryczną gęstością energii (ilością energii, jaką można zgromadzić w jednostce masy lub objętości). Ta właściwość wynika z zastosowania w nich niewodnych elektrolitów, takich jak ciecze zawierające sole litowe w mieszaninie organicznych rozpuszczalników lub ciała stałe. Pozwala to na stosowanie baterii litowo-jonowych w mobilnych urządzeniach elektronicznych, których rozmiary i masa powinny być niewielkie, a także w pojazdach elektrycznych. Do zalet baterii litowo-jonowych należy również brak efektu pamięci, czyli rzeczywistej lub pozornej utraty pojemności w wyniku niepełnego rozładowania lub nadmiernego ładowania (wyjątkiem są ogniwa LFP). Charakteryzują się także wolnym tempem samorozładowania czyli spadku poziomu naładowania bez podłączenia do zewnętrznego obwodu.

Niektóre z wielkości określających baterie litowo-jonowe to:

– zmagazynowana energia – najczęściej wyrażana w watogodzinach (Wh) i jednostkach pochodnych, również nazywana pojemnością,

– pojemność – ilość ładunku, jaką można przechowywać w baterii, wyrażana w amperogodzinach (Ah) i jednostkach pochodnych,

– sprawność – stosunek ilości energii, jaką można uzyskać z akumulatora do energii dostarczonej podczas ładowania, wyrażany w procentach,

– żywotność – liczba cykli ładowania i rozładowania, po której pojemność baterii spada poniżej określonego poziomu,

– stan naładowania – (SoC – state of charge) – wyrażany w procentach stosunek aktualnego poziomu naładowania baterii do jej całkowitej pojemności,

– głębokość rozładowania – (DoD – depth of discharge) – wyrażany w procentach poziom rozładowania baterii; ważne jest, by nie przekraczać zalecanej przez producenta wartości, aby nie doszło do skrócenia żywotności baterii,

– stan zużycia – (SoH – state of health) – wyrażany w procentach stosunek maksymalnego naładowania baterii do pojemności nominalnej; maleje z liczbą cykli ładowania i rozładowania,

– zalecany prąd ładowania/rozładowania – zakres natężenia prądu, jakim powinno się ładować/rozładowywać baterię, aby nie doprowadzić do jej uszkodzenia czy przedwczesnego pogorszenia parametrów; wyrażany w ułamku pojemności nominalnej (C), gdzie za 1C przyjmujemy tzw. prąd jednogodzinny, czyli prąd, którym rozładowywany akumulator pracowałby jedną godzinę.

Historia baterii litowo-jonowych

W roku 1958 W. S. Harris badał rozpuszczalność litu w niewodnych elektrolitach. Zaobserwował wtedy powstawanie warstwy pasywnej, uniemożliwiającej zachodzenie bezpośredniej reakcji między litem a elektrolitem, która jednakże przepuszczała przez siebie jony. Spowodowało to wzrost zainteresowania perspektywami wykorzystania baterii litowo-jonowych.

Na początku lat 70. badano reakcję interkalacji, tj. odwracalnego wnikania w strukturę krystaliczną jonów, atomów lub cząsteczek innej substancji. Rozważane były także koncepcje magazynowania energii w ogniwach wtórnych na bazie litu. Powstały wtedy baterie litowe wykorzystujące jako katodę dwusiarczek tytanu, które zostały skomercjalizowane w kolejnej dekadzie. Uzyskiwane z nich napięcie było jednak niskie (2,5 V), co przekładało się na niską gęstość energii. Skłoniło to naukowców do poszukiwania innych materiałów katodowych i doprowadziło do odkrycia trzech klas katod tlenkowych. Z nich największą gęstością energii charakteryzują się tlenki warstwowe. Są one powszechnie stosowane również obecnie, najczęściej LiCoO2.

Jako materiał anodowy początkowo stosowano lit i jego stopy, jednak zagrażało to powstawaniem dendrytów, czyli narastających w jednym kierunku kryształów, niszczących separator między elektrodami. Wobec tego rozważono wykorzystanie do produkcji elektrod dwóch różnych materiałów. Tak też się stało. W 1991 roku bateria litowo-jonowa z anodą wykonaną z grafitu trafiła do komercyjnej produkcji. Także dzisiaj jest to najbardziej powszechny typ anody.

Od czasu komercjalizacji zastosowań baterii litowo-jonowej jest ona stale ulepszana, aby lepiej spełniać wymagania konsumentów.

Rodzaje akumulatorów litowo-jonowych

Istnieją różne rodzaje baterii litowo-jonowych, które dobierane są do danych zastosowań w zależności od wymagań mocowych, sprawnościowych, warunków pracy itp. Należą do nich:

– LCO – baterie litowo-kobaltowe, charakteryzujące się wysoką gęstością energii i bezpieczeństwem, ale ograniczonym prądem ładowania i rozładowania,

– LFP – baterie litowo-żelazowo-fosforanowe, o niskim napięciu, ale ze zdolnością do uzyskania wysokiego natężenia prądu,

– LMO – baterie litowo-manganowe, o wysokim prądzie ładowania i rozładowania, ale o niższej gęstości energii i żywotności,

– NCA – baterie litowo-niklowo-kobaltowo-glinowe, o wysokiej gęstości energii i mocy oraz długiej żywotności, natomiast o wyższym koszcie i niższym poziomie bezpieczeństwa niż w przypadku innych typów baterii litowo-jonowych,

– NMC – baterie litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe – w zależności od przeznaczenia mogą być zoptymalizowane pod kątem wysokiej gęstości energii lub mocy, kosztem drugiego z tych parametrów.

Wykorzystanie baterii litowo-jonowych

Przenośne urządzenia elektroniczne

Ze względu na ich dużą gęstość energii i mocy baterie litowo-jonowe są optymalnym źródłem zasilania dla niewielkich urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, laptopy i tablety. Wykorzystuje je również wiele urządzeń medycznych, między innymi aparaty słuchowe, pompy infuzyjne, rozruszniki serca czy defibrylatory.

Systemy UPS

Baterie litowo-jonowe zapewniają ciągłość zasilania na wypadek awarii w systemach UPS (Uninterrupted Power System – system nieprzerwanego zasilania). Tego typu systemy są niezbędne przy urządzeniach, od których działania zależy ludzkie życie, a więc przy sprzęcie medycznym w szpitalach. Stosuje się je również powszechnie do ochrony przed utratą niezapisanego postępu podczas pracy biurowej i utratą danych na serwerach IT.

Pojazdy elektryczne

Właściwości akumulatorów litowo-jonowych czynią je również dobrym sposobem zasilania samochodów, rowerów i hulajnóg elektrycznych. Pojazdy te stają się coraz bardziej popularne ze względu na wzrastające koszty paliw płynnych, chęć ochrony środowiska przez ich użytkowników oraz stale udoskonalane technologie szybkiego i wygodnego ładowania. Popularnością zaczynają cieszyć się także jednostki pływające zasilane z akumulatorów, takie jak łodzie czy jachty elektryczne.

Magazyny energii

Baterie litowo-jonowe są jednym z podstawowych sposobów magazynowania energii w celu wyrównywania obciążenia sieci. Są one szczególnie niezastąpione przy instalacjach OZE, gdzie najczęściej potrzebne jest magazynowanie energii na niewielką skalę (na przykład we współpracy z przydomowymi panelami słonecznymi). Ich stosowanie pomaga w pełnym wykorzystaniu potencjału źródeł niesterowalnych, ponieważ pozwalają one na gromadzenie energii kiedy jest produkowana w nadmiarze i oddawanie jej do sieci, gdy jest na nią zapotrzebowanie.

Zagrożenia związane z eksploatacją baterii litowo-jonowych

Zagrożenie eksplozją

Elektrolity stosowane w bateriach litowo-jonowych to substancje łatwopalne. Niesie to ze sobą ryzyko eksplozji w przypadku uszkodzenia ich struktury lub ładowania nadmiernym prądem. Zagrożenie stanowi również fakt, że akumulatory litowo-jonowe są przystosowane do pracy w określonym zakresie napięcia (od 2,5 do 3,65 V, w przypadku niektórych ogniw do 4,35 V). Niewłaściwe ładowanie może doprowadzić do przekroczenia dopuszczalnego napięcia, co z kolei może skutkować zmniejszeniem użytecznej pojemności baterii, a w najgorszym wypadku nawet wybuchem reaktywnych komponentów. Przechowywanie akumulatorów litowo-jonowych przez dłuższy czas bez użytkowania grozi przedwczesnym zmniejszeniem ich pojemności. To przy późniejszej eksploatacji może skutkować przeładowaniem, nawet jeśli użytkownik będzie ładował je zgodnie z instrukcjami producenta.

Z tego powodu standardy bezpieczeństwa narzucane przy produkcji i późniejszym testowaniu baterii litowo-jonowych są bardzo rygorystyczne. By było możliwe ich przewożenie, muszą najpierw przejść szereg testów, obejmujących między innymi symulację wysokości, badania termiczne, zgniatanie, drganie, uderzenia, zwarcie wewnętrzne, przeładowanie i wymuszone rozładowanie.

Thermal runaway i samozapłon

Jeżeli akumulator osiągnie zbyt wysoką temperaturę, dochodzi w nim do zjawiska niestabilności cieplnej (thermal runaway). Jest to niemożliwa do zatrzymania reakcja łańcuchowa prowadząca do wyparowania elektrolitu, a następnie do wzrostu ciśnienia, który powoduje wydostawanie się palnych gazów na zewnątrz baterii. W kontakcie z powietrzem są one zdolne do zapłonu. Ułożenie ogniw obok siebie sprawia, że wystarcza wzrost temperatury w jednym z nich, by reakcja łańcuchowa objęła kolejne. Pożar akumulatorów jest bardzo trudny do opanowania, często pozostaje tylko ochrona otoczenia przed rozprzestrzenianiem się ognia póki nie dojdzie do wyczerpania palnych substancji.

Zagrożenie pożarowe wynika z wad produkcyjnych, nieprawidłowego składowania lub obsługi akumulatorów. Z tego też powodu tak ważne jest testowanie baterii przed dopuszczeniem do użytku, a podczas eksploatacji ochrona szczególnie przed przeciążeniami elektrycznymi i termicznymi oraz uszkodzeniami mechanicznymi.

Baterie litowo-jonowe a środowisko

Wydobycie surowców do produkcji akumulatorów litowo-jonowych

Baterie litowo-jonowe, choć często służą celom przyjaznym środowisku, powstają w procesach, które nie mają wiele wspólnego z ekologią. Do ich materiałów składowych należą rzadkie metale takie jak kobalt i lit. Są one wydobywane w krajach rozwijających się, gdzie technologie wydobycia nie pozwalają na ich pozyskiwanie bez inwazji w środowisko. Większość światowych zasobów litu znajduje się w Andach, na terenie Argentyny, Boliwii i Chile. Jest to jeden z najsuchszych regionów świata, tymczasem produkcja jednej tony litu wymaga niemal 2 mln litrów wody. Powoduje to zmniejszanie lokalnych zasobów wód gruntowych, zanieczyszczenie gleb i inne formy degradacji środowiska. Sprawia to, że miejscowa ludność, utrzymująca się głównie z rolnictwa, jest zmuszana do opuszczania swoich miejsc zamieszkania. Przewidywany jest wzrost światowego zapotrzebowania na lit, co oznacza coraz większą ingerencję w środowisko poprzez wydobywanie go z coraz głębszych pokładów.

Integralnym materiałem akumulatorów litowo-jonowych jest także kobalt. 2/3 jego światowego wydobycia ma miejsce w Demokratycznej Republice Konga. Miejscowe metody wydobycia nie chronią przed zanieczyszczaniem rzek i innych zbiorników wodnych związkami siarki, które w kontakcie z wodą tworzą kwas siarkowy, niebezpieczny dla miejscowej fauny i dla ludzi. Dodatkowo przy wydobyciu kobaltu może być uwalniany pył zawierający toksyczne metale, wśród nich uran.

Wydobycie grafitu jest związane z podobnymi problemami środowiskowymi. Wykorzystanie materiałów wybuchowych powoduje rozpylanie szkodliwych substancji, a co za tym idzie, lokalne skażenie powietrza i gleb.

Recykling akumulatorów litowo-jonowych

Z uwagi na niebezpieczeństwa związane z niewłaściwym składowaniem baterii litowo-jonowych, w żadnym wypadku nie powinny one trafiać na wysypiska śmieci czy być wyrzucane jako śmieci segregowane, np. plastik. Takie ogniwa powinny trafiać do certyfikowanych firm zajmujących się ich bezpieczną utylizacją i odzyskiwaniem materiałów, z których są wykonane. Według firmy Fortum możliwe jest odzyskanie ze zużytego akumulatora 95% cennych materiałów, jakimi są lit, kobalt i grafit, a ogółem recykling 80% baterii litowo-jonowej.

Alternatywy dla akumulatorów litowo-jonowych

Stale rozwijane są inne metody magazynowania energii, które z uwagi na wysoki poziom bezpieczeństwa, przyjazność środowisku czy inne właściwości mogą kiedyś zastąpić baterie litowo-jonowe. Oto niektóre z nich:

  • Ogniwa paliwowe – ich podstawowym rodzajem są ogniwa wodorowo-tlenowe, w których zachodzi utlenianie wodoru i redukcja tlenu, czego produktem jest woda. Reakcji towarzyszy przepływ prądu elektrycznego, który może zostać wykorzystany do zasilania urządzeń. Na obecnym poziomie rozwoju tej technologii wykorzystanie ogniw wodorowych jest jednak kosztowne. Dodatkowym problemem jest wytworzenie odpowiedniej ilości wodoru z wykorzystaniem tylko czystej energii.
  • Grafenowe superkondensatory – w przeciwieństwie do baterii, które magazynują energię chemiczną, kondensatory przechowują energię w polu elektrostatycznym, gromadząc w sobie ładunek elektryczny. Ładowanie i rozładowanie superkondensatorów może przebiegać o wiele szybciej niż ogniw chemicznych. Obecnie nie jest możliwe uzyskanie z nich takiej gęstości energii, jak w przypadku akumulatorów. Wykorzystanie grafenu do produkcji superkondensatorów mogłoby jednak pozwolić na rozwiązanie tego problemu.
  • Baterie przepływowe – to baterie wykorzystujące energię chemiczną roztworów elektrolitycznych. Obecnie ich najpopularniejszym typ opiera się na reakcji redoks. Do ich zalet należą długa żywotność i skalowalność (możliwość zwiększania pojemności poprzez łączenie wielu zbiorników). Ich wadą jest natomiast niska gęstość energii oraz szybkość ładowania i rozładowania.
  • Baterie aluminiowo-grafitowe – to bezpieczne i lekkie baterie pozwalające na ładowanie urządzeń w czasie o wiele krótszym niż baterie litowo-jonowe. Niestety, obecnie osiągane przez nie napięcie (ok. 1,5 V) nie jest wystarczające do zasilania samochodów czy telefonów. Naukowcy jednak pracują nad poprawą tego parametru.
  • Baterie bioelektrochemiczne – są to baterie, w których bakterie beztlenowe przetwarzają octan metodą redukcji-utleniania, powodując przepływ prądu. Jest to bardzo młoda technologia; do tej pory naukowcom udało się osiągnąć zaledwie 15 cykli pracy takiego akumulatora. Niewykluczone jednak, że zostanie ona rozwinięta w taki sposób, że bateria będzie miała niemal nieskończoną żywotność dzięki rozmnażaniu się bakterii.

Przyszłość akumulatorów litowo-jonowych

Choć wiele innych rodzajów akumulatorów walczy o uznanie za najlepszą możliwą technologię, w najbliższej przyszłości prawdopodobnie żadna z nich nie pokona baterii litowo-jonowych. Wciąż istnieje możliwość chemicznych i technologicznych ulepszeń, aby osiągnąć większą gęstość energii i dłuższy cykl życia baterii. Światowe zasoby litu maleją jednak w szybkim tempie i konieczny jest rozwój pozostałych technologii, aby możliwe było bezproblemowe przejście na inne rodzaje akumulatorów, gdy go zabraknie.

Źródła:

An Outlook on Lithium Ion Battery Technology

Brief History of Early Lithium-Battery Development

Lithium Ion Battery Types

The Common Uses of Lithium-Ion Batteries

Transporting Lithium Batteries Used in Medical Devices

Developing countries pay environmental cost of electric car batteries

Used Lithium-Ion Batteries

Lithium-ion Battery Recycling Technology

10 alternatives to lithium-ion batteries: Which new tech will power the future?

Prospects for lithium-ion batteries and beyond—a 2030 vision

Bezpieczne składowanie akumulatorów litowo-jonowych

 

 

Baza wiedzy

Najnowsze

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

Izabela Kędroń – prezes zarządu i właściciel biura projektowego Sun Hunter.

Zielona rewolucja w Polsce jest faktem

Rozmowa z Izabelą Kędroń, prezes zarządu Sun Hunter, o rozwoju fotowoltaiki w Polsce i najciekawszych projektach zrealizowanych przez jej firmę. Niedawno wzięła Pani udział w...
Dr inż. Andrzej Grzybowski

Czy magazyny energii przyspieszą dekarbonizację?

Rozmowa dr inż. Andrzejem Grzybowskim o zmianach klimatycznych oraz roli OZE i magazynów energii w dekarbonizacji. W ostatnich latach dużo słyszymy o wpływie ludzkiej działalności...
Borys Pawliczak, Dott

Wychodzimy naprzeciw oczekiwaniom eko-konsumentów

Borys Pawliczak, dyrektor generalny Dott w Polsce dla e-magazyny Dlaczego zdecydowali się Państwo składać hulajnogi w Europie? Nadmierna emisja CO2 do atmosfery, jest główną przyczyną...
Artur Koziński, Product Manager Inteligentnej Stacji Transformatorowej z magazynem energii SPS, Kierownik w Dziale Rozwoju Nowych Technologii w ZPUE

Ile żyć ma bateria? – Artur Koziński

Kilka miesięcy temu rozmawialiśmy z Arturem Kozińskim z ZPUE o zaawansowanych projektach z magazynami energii i wielokrotnie nagradzanej SPS (Smart Power Station). Dziś przyjrzymy...
Janusz Kurpas

Transformacja energetyki jest faktem – Janusz Kurpas

Rozmowa z Januszem Kurpasem, Energoprojekt Katowice S.A., o transformacji energetycznej, rosnącym udziale OZE w miksie energetycznym i przyszłości magazynowania energii.  Czy jesteśmy świadkami transformacji energetycznej?...

BĄDŹMY W KONTAKCIE

Baza wiedzy