Články Li-ion batérií sú kľúčovou súčasťou moderných technológií, od prenosných zariadení až po elektrické vozidlá. Tento článok poskytuje komplexný pohľad na charakteristiky týchto článkov, ich vývoj, princípy fungovania, použitie a bezpečnostné aspekty.
Úvod do Li-ion technológie
Moderné technológie sú vo veľkej miere závislé od akumulátorových článkov. Kapacita článkov určuje, ako dlho bude zariadenie alebo náradie pracovať bez potreby nabíjania. Zvýšenie kapacity predstavuje výzvu, pretože vyššia kapacita zvyšuje riziká - od prehriatia a chemickej degradácie materiálov až po fyzikálne limity ich stabilnej prevádzky. Líthium-iontové batérie sú relatívne novou technológiou. Od svojho uvedenia na trh začiatkom 90. rokov sa však úspešne presadili a postupne nahradili staré technológie. V súčasnej dobe sú líthium-iontové batérie pre náš každodenný život nepostrádateľné pre najrôznejšie použitia. Nielen inteligentné telefóny a tablety získavajú energiu z líthiových článkov, ale dôležitú úlohu zohrávajú tiež v oblasti elektromobility. Líthium-iontové batérie bodujú nielen vďaka vysokej kumulácii energie pri nízkej hmotnosti, ale tiež vďaka technológii rýchleho nabíjania.
História a vývoj
V roku 1899 Waldemar Jungner zo Švédska vynašiel niklovo-kadmiový článok (NiCd), v ktorom sa kadmium používalo ako kladná elektróda (katóda) a nikel ako záporná elektróda (anóda). Vysoká cena tohto materiálu v porovnaní s olovom však obmedzovala jeho použitie. To však nič nemení na skutočnosti, že Ni-Cd bola jediná batéria na prenosné použitie. Skoro 50 rokov sa prenosné zariadenia spoliehali takmer výlučne na niklovo-kadmiové batérie (Ni-Cd), ale v 90. rokoch 20. storočia sa presadila niklovo-metalhydridová batéria (Ni-MH), ktorá vyriešila otázku toxicity inak odolného Ni-Cd.
V 90. rokoch 20. storočia sa ochrancovia životného prostredia v Európe začali obávať škôd spôsobených nedbanlivou likvidáciou NiCd. Smernica o batériách 2006/66/ES teraz obmedzuje predaj Ni-Cd batérií v Európskej únii s výnimkou špeciálnych priemyselných aplikácií, kde ich nemožno nahradiť.
Vynález lítiovo-kobaltovo-oxidového článku sa pripisuje Johnovi B. Goodenoughovi (1922). Rok predtým však spoločnosť Sony ohlásila medzinárodný patent na lítiovo-kobaltovo-oxidovú katódu. V súčasnosti sa väčšina výskumného úsilia venuje zdokonaľovaniu lítiových systémov, ktoré prvýkrát uviedla na trh spoločnosť Sony v roku 1991. Odhaduje sa, že do roku 2026 budú lítiovo-iónové články tvoriť až 70 % celkového trhu a olovené batérie ďalších približne 20 %. Veľkosť odvetvia lítiovo-iónových článkov mala v roku 2020 hodnotu 40,8 miliardy USD a očakáva sa, že do roku 2026 dosiahne 100,3 miliardy USD. Trh s nabíjateľnými článkami je poháňaný rastúcim dopytom po prenosných elektronických zariadeniach. Smartfóny a notebooky sú bežnými zariadeniami nielen vo vyspelých krajinách, ale na celom svete.
Prečítajte si tiež: Výber batérií do kúpeľne z Merkury Market
V roku 1994 boli náklady na výrobu lítiovo-iónového valcového článku 18650 s kapacitou 1 100 mAh viac ako 10 USD. V roku 2001 cena klesla pod 3 USD a kapacita sa zvýšila na 1 900 mAh.
Princíp fungovania Li-ion článkov
Na začiatku 20. storočia bol zaznamenaný veľký potenciál lítia ako materiálu, ktorý tvorí hlavnú zložku článkov. Princíp bol revolučný, pretože umožnil nabíjanie a vybíjanie bez veľkých chemických reakcií, ktoré by degradovali materiály. Vývoj pokračoval a v roku 1991 uviedla spoločnosť Sony na trh prvý komerčný lítium-iónový akumulátor. Tento pokrok otvoril dvere masovému rozšíreniu Li-ion akumulátorov v rôznych segmentoch priemyslu.
Každý líthium-iontový článok sa skladá z kladnej a zápornej elektródy - anódy a katódy. Medzi nimi je iontovo vodivý elektrolyt. Ten zaručuje transport líthiových iontov medzi elektródami počas nabíjania alebo vybíjania. Najznámejšou formou skladovania líthiovej energie sú líthium-iontové akumulátory, v ktorých sa používa kvapalný elektrolyt - napr. známe články 18650. Ďalšou dôležitou súčasťou je separátor. Ten zabraňuje priamemu kontaktu medzi anódou a katódou - a teda skratu. Pri vybíjaní sa líthiové ionty a elektróny uvoľňujú na stane anód. Pri nabíjaní je tento proces opačný.
Komponenty Li-ion článku:
- Anóda (-): Zvyčajne vyrobená z grafitu. Počas nabíjania absorbuje lítiové ióny a ukladá ich medzi vrstvy grafitu.
- Katóda (+): Vyrobená z materiálov na báze oxidov kovov, napr. oxid lítno-kobaltnatý alebo NMC. Počas nabíjania uvoľňuje lítiové ióny.
- Elektrolyt: Tekutina alebo gél, ktorý zabezpečuje prenos lítiových iónov medzi anódou a katódou.
- Separátor: Tenká porézna membrána, ktorá fyzicky oddeľuje anódu a katódu.
Proces nabíjania:
- Lítiové ióny (Li⁺) sa pohybujú z katódy cez elektrolyt na anódu.
- Elektróny sa presúvajú vonkajším obvodom z katódy (+) na anódu (-), pretože elektrolyt neumožňuje prenos elektrónov.
Proces vybíjania:
- Lítiové ióny sa presúvajú z anódy cez elektrolyt na katódu. Na katóde reagujú s oxidmi kovov.
Moderné Li-ion články obsahujú riadiace obvody, ktoré sledujú napätie, prúd a teplotu, aby zabránili prehriatiu alebo prebitiu, ktoré by mohlo článok poškodiť. V akumulátoroch, ktoré pozostávajú zo sústavy článkov, je spravidla riadiaci obvod pre všetky články a ich súčasťou je aj tzv. balancer, ktorého úlohou je vyrovnávať napätie medzi jednotlivými článkami. Tento proces zabezpečuje rovnomerné nabíjanie a vybíjanie všetkých článkov, čím sa predchádza ich preťaženiu alebo nedostatočnému využitiu.
Typy Li-ion batérií
Začiatkom 21. storočia sa do popredia dostala téma nabíjateľných lítiovo-iónových polymérových akumulátorov. Mnohí používatelia však majú problém rozlíšiť bežný lítiovo-iónový akumulátor od akumulátora s polymérovou architektúrou. Lítiovo-polymérový akumulátor sa od iných akumulátorových systémov líši typom použitého elektrolytu. Pôvodný polymér s konštrukciou zo 70. rokov používa pevný (suchý) polymérny elektrolyt podobný filmu, ktorý vyzerá ako plast. Tento izolátor umožňuje výmenu iónov a nahrádza tradičný porézny separátor nasýtený elektrolytom. Pevný polymér má pri izbovej teplote slabú vodivosť a batéria sa musí zahriať na 50 - 60 °C, aby ňou mohol tiecť prúd. Správny termín je lítiovo-iónový polymér alebo niekedy lítiový polymér. Li-Po môže byť postavený na mnohých systémoch, ako sú Li-kobalt, NMC, Li-fosfát a Li-mangán. Z tohto dôvodu sa lítiovo-polymérový akumulátor nepovažuje za jedinečný v porovnaní s lítiovo-iónovými akumulátormi. Väčšina sekundárnych lítiovo-polymérových článkov pre spotrebiteľský trh je založená na lítiovo-kobaltových čipoch. Pokiaľ ide o používateľa, lítiový polymér je v podstate rovnaký ako lítiovo-iónový akumulátor. Oba systémy používajú identický katódový a anódový materiál a obsahujú podobné množstvo elektrolytu. Hoci vlastnosti a výkon oboch systémov sú podobné, lítiový polymér je jedinečný v tom, že je to mikroporézny elektrolyt a nahrádza tradičný porézny separátor. Gélový elektrolyt sa stáva katalyzátorom, ktorý zlepšuje elektrickú vodivosť.
Prečítajte si tiež: Ako predísť vybitej batérii v aute
Li-Po má o niečo vyššiu špecifickú energiu a akumulátory, ktoré ho využívajú, môžu byť tenšie ako bežné lítiovo-iónové akumulátory. Napriek vyššej cene podiel lítiových polymérových článkov na trhu rastie. Dodávajú sa totiž aj v pružnom fóliovom obale (polymérový laminát alebo komora na vrecúška), ktorý pripomína balenie potravín. Zatiaľ čo štandardný lítiovo-iónový akumulátor vyžaduje pevné puzdro na stlačenie elektród k sebe, Li-polymér využíva laminované hárky, ktoré stlačenie nevyžadujú. Toto fóliové puzdro znižuje hmotnosť o viac ako 20 %, navyše technológia tenkých fólií uvoľňuje dizajn formátu a batériu možno vyrobiť v ľubovoľnom tvare, takže sa elegantne zmestí do štýlových mobilných telefónov a notebookov, aby boli menšie, tenšie a ľahšie. Li-Po môže byť veľmi tenký a môže pripomínať kreditnú kartu. Charakteristiky nabíjania a vybíjania lítiovo-polymérového článku sú rovnaké ako pri iných lítiovo-iónových systémoch a nevyžadujú špeciálnu nabíjačku.
Ďalším typom sú akumulátory líthium-polymerové. V líthium-polymerovom akumulátore je elektrolyt integrovaný do molekulárnej štruktúry polymerového filmu. Tak zaniká nutnosť separátora a polymerový film umožňuje plochú konštrukciu, a preto sa také zariadenia na ukladanie energie používajú prodovšetkým v mobilných telefónoch a notebookoch. Nevýhodou je však výrazná citlivosť voči mechanickému poškodeniu a s tým spojené nebezpečenstvo požiaru.
Tenkovrstvový líthiový článok je úložisko energie, v ktorom je elektrolyt nahradený iontovo vodivým plynom. To umožňuje použitie líthiového kovu a tým extrémne vysokú hustotu energie.
Kľúčové charakteristiky Li-ion článkov
- Krivka vybíjania: Graf napätia v závislosti od percenta vybitej kapacity.
- Špecifická hustota energie: Energia, ktorú možno získať na hmotnostnú jednotku článku (alebo niekedy na hmotnostnú jednotku aktívneho materiálu elektródy).
- Teplotná závislosť: Rýchlosť reakcie v bunke závisí od teploty. Vnútorný odpor sa mení aj v závislosti od teploty; pri nízkej teplote je vnútorný odpor vyšší. Pri veľmi nízkej teplote môže elektrolyt zamrznúť, čo spôsobí nižšie napätie, pretože pohyb iónov je sťažený.
- Životnosť: Životný cyklus nabíjateľnej batérie je definovaný ako počet cyklov nabíjania/dobíjania, ktoré môže sekundárny článok absolvovať, kým jej kapacita neklesne na 80 % pôvodnej hodnoty.
- Schopnosť hlbokého vybitia: Medzi hĺbkou vybitia a životnosťou batérie existuje logaritmická závislosť, takže životnosť batérie sa môže výrazne predĺžiť, ak nie je úplne vybitá; napríklad batéria mobilného telefónu vydrží päť- až šesťkrát dlhšie, ak je pred nabitím vybitá len na 80 %.
- Aplikačné požiadavky: Batéria musí byť dostačujúca na zamýšľané použitie. To znamená, že musí byť schopná produkovať správny prúd pri zodpovedajúcom napätí. Musí mať príslušnú kapacitu, energiu a výkon.
- Rozmery: Čísla 18650 a 21700 vyjadrujú fyzické rozmery batériových článkov. Číslo článku 18650 označuje priemer 18 mm a dĺžku 65 mm. Číslo článku 21700 označuje priemer 21 mm a dĺžku 70 mm.
- Vlastnosti: Batériový článok 18650 predstavuje len 68 % objemu článku 21700. To znamená, že články 21700 môžu uchovať viac energie a ponúkajú dlhšiu výdrž.
Li-ion je batéria s nízkymi nárokmi na údržbu, čo je výhoda, ktorou sa väčšina iných chemických batérií nemôže pochváliť. Batéria nemá pamäť a nevyžaduje žiadne zaťaženie (zámerné plné vybitie), aby sa udržala v dobrom stave. Samovybíjanie je o viac ako polovicu menšie ako pri systémoch na báze niklu, čo pomáha pri aplikáciách s energetickými indikátormi. Nominálne napätie článku 3,60 V môže priamo napájať mobilné telefóny, tablety a digitálne fotoaparáty, čo v porovnaní s viacčlánkovými konštrukciami prináša zjednodušenie a zníženie nákladov.
Použitie Li-ion batérií
Okrem napájania mobilných telefónov, notebookov, digitálnych fotoaparátov, elektrického náradia a zdravotníckych zariadení sa lítiovo-iónové batérie používajú aj v elektrických vozidlách a satelitoch. Vysokoprúdové články Li-ion sú ideálne pre aplikácie, ktoré vyžadujú vysoký výstupný prúd, čo z nich robí perfektné riešenie pre vysoko náročné zariadenia ako sú elektrické náradia, elektrické vozidlá, Aku náradie, batérie ebike, a iné vysoko výkonné elektronické zariadenia.
Prečítajte si tiež: Štartovacia batéria Bosch 0 092 S40 080
Li-ion akumulátory našli široké uplatnenie v akumulátorovom náradí, ktoré je dnes neodmysliteľnou súčasťou výbavy dielní, stavieb či domácich kutilov. Ich výhody, ako je nízka hmotnosť, vysoká energetická hustota, dlhá životnosť a minimálne samovybíjanie, ich robia ideálnou voľbou pre rôzne typy náradia. Každý typ akumulátorového náradia má špecifické požiadavky na výkon a kapacitu akumulátora. Použitie optimálneho akumulátora je kľúčové pre zabezpečenie správneho fungovania náradia a dlhodobej efektívnosti.
Príklady použitia v náradí:
- Akumulátorové skrutkovače a rázové uťahovače: Pre menej náročné, ale časté úkony. Pre tento typ náradia postačujú akumulátory s napätím 10,8V a kapacitou 2Ah.
- Akumulátorové píly: Pre rezanie tvrdých materiálov. Tieto náradia vyžadujú akumulátory s napätím 18V a vyšším s kapacitou minimálne 4Ah, aby dokázali zabezpečiť dlhú prevádzku bez prerušenia.
- Uhlové brúsky a vŕtacie kladivá: Pre výkonné náradie. Typicky sa využívajú akumulátory s napätím 18V a kapacitou 5-8Ah, čo umožňuje dlhšiu a intenzívnejšiu prácu.
Použitie lítiovo-iónových akumulátorov v spotrebnej elektronike a elektrických vozidlách v posledných rokoch rýchlo rastie.
Bezpečnostné aspekty
Na druhej strane stále častejšie počúvame o nebezpečných udalostiach, ku ktorýcm došlo v súvislosti s líthium-iontovými batériami. V roku 2017 sa požiar parkovacieho domu v Hannoveri postaral o hlavné titulky v novinách - bol spôsobený batériou elektrobicykla. V roku 2018 zomrel muž v Hamburgu pri explózii nabíjačky batérií. Je teda nepochybné, že výbuchy a požiare líthium-ionotvých batérií môžu mať zničujúce následky, ktoré môžu spôsobiť výsoké škody alebo v najhoršom prípade môžu poškodiť zdravie či zmariť ľudské životy. Preto by sa mali nielen jednotlivci, ale predovšetkým spoločnosti naliehavo zaoberať otázkou bezpečnej manipulácie a skladovania týchto batérií.
Medzi nevýhody patrí potreba ochranných obvodov na zabránenie možnému samovznieteniu alebo výbuchu. Lítiovo-iónové akumulátory majú hermetické puzdrá obsahujúce ochranné kontrolné systémy.
V zásade je možné líthiovú batériu rozdeliť na anódu, elektrolyt a katódu.Anóda je obvykle vyrobená z uhlíka (C), ktorý nepodlieha označovaniu podľa naridenia CLP.Pre výrobu katódy sa používa množstvo rôznych látok. Presné zloženie materiálu katódy do veľkej miery určuje vlastnosti, ako je životnosť, doba nabíjania a výkon. Na katódu sa často používa železo, mangán, kobalt alebo nikel.Elektrolyt pozostáva z organického rozpúšťadla a vodivej líthiovej soli.
Elektrolyt = organické rozpúšťadlo + vodivá líthiová soľ (LiPF6)Presné chemické zloženie prislušnej zmesi rozpúšťadiel je obvykle tajomstvom výrobcu. Prezeraním rôznych dátových listov je však možné zistiť prehľad o použitých komponentoch. Bod vzplanutia zložiek rozpúšťadla sa pohybuje v rozmedzí od + 160 °C až niečo pod 0 °C. To vysvetľuje tepelnú nestabilitu líthiovej batérie.Vodivá soľ, o.i., obsahuje tiež fluór (F).
So súčasnými výrobnými štandardami sú líthium-iontové batérie relatívne bezpečné. Pre zvýšenie bezpečnosti líthium-iontových batérií ich môžu výrobcovia vybaviť rôznymi bezpečnostnými zariadeniami už na úrovni článkov. Pokiaľ je vo vnútri článku použitý horľavý elektrolyt, môžu byť pre zaručenie lepšej ochrany pridané prísady spomaľujúce horenie.
Bežné príčiny vzniku požiaru:
- Elektrické preťaženie: Môže dôjsť k nemu pri nabíjaní nesprávnou nabíjačkou alebo pri hlbokom vybití.
- Mechanické poškodenie: Kolízia, pád alebo nadmerný tlak môžu viesť k vnútorným skratom.
- Tepelné preťaženie: Extrémne tepelné alebo energetické zdroje môžu zahriať líthiové batérie a spôsobiť požiar.
Preventívne opatrenia:
- Dodržiavajte prevádzkové a skladovacie teploty odporúčané výrobcom.
- Skladujte líthiové úložisko energie na suchom mieste a chráňte ho pred vlhkosťou.
- Používajte výhradne nabíjačky, ktoré sú určené pre použitie v spojení s Vašim modelom batérie.
- Nenabíjajte líthiové batérie dlhodobo, ak ich nepotrebujete.
- Uistite sa, či zariadenia pre ukladanie líthiovej energie nie sú vystavené nárazom, úderom alebo kolíziám.
Ak dôjde k požiaru, je dôležité vedieť, že líthium-iontová batéria horí veľmi ťažko. Pokusy o uhasenie inertnými látkami sú väčšinou neúspešné, pretože líthium iontové články samotné vytvárajú kyslík potrebný pre oheň. Nedávne výskumy však naznačujú, že väčšie množstvo vody je schopné požiar líthia utlmiť a účinne hasiť.
Nakladanie s batériami a recyklácia
Je dôležité uvedomiť si, že všetky batérie neobsahujú len veľmi škodlivé látky, ktoré by sa nemali dostať do pôdy a podzemných vôd. Obsahujú aj komponenty, ktoré sa dajú opätovne použiť. Vaše batérie budú bezpečne zrecyklované, ak ich odovzdáte prevádzke na spracovanie nebezpečného odpadu alebo do obchodu, ktorý zbiera batérie na recykláciu.
Budúcnosť Li-ion technológie
Li-ion články majú svoje fyzikálne a chemické obmedzenia, ktoré významne ovplyvňujú ich kapacitu, životnosť a bezpečnosť. Budúcnosť akumulátorov spočíva v prekonávaní aktuálnych limitov prostredníctvom nových chemických zložení. Technologický pokrok je nevyhnutný nielen pre výkonnosť a efektivitu, ale aj pre udržateľnosť a minimalizáciu environmentálnych dopadov.