Technológia lítium-iónových batérií je čoraz dôležitejšia pre širokú škálu zariadení, od prenosných počítačov a elektrického náradia až po vysávače, drony a dokonca aj automobily. Zatiaľ čo lítium-iónové batérie sa stali bežnými v modernom živote, nie každý chápe princíp ich fungovania, výhody a výzvy spojené s ich recykláciou.
História a vývoj lítium-iónových batérií
Už na začiatku 20. storočia bol zaznamenaný veľký potenciál lítia ako materiálu, ktorý tvorí hlavnú zložku batérií. Lítium je kov s najnižšou hustotou, vysokým elektrochemickým potenciálom a vysokým pomerom energie k hmotnosti. Americký chemický fyzik George Newton Lewis začal experimentovať s lítiovými batériami už v roku 1912, ale na trh sa objavili až v roku 1970.
Prelom nastal, keď profesori John Goodenough a Kiochi Mizushima na Oxfordskej univerzite vytvorili nový typ iónovej batérie, v ktorej môže lítium putovať od jednej elektródy k druhej vo forme iónov. Tento objav položil základ pre súčasné lítium-iónové batérie.
Prvá komerčná lítium-iónová batéria bola uvedená na trh spoločnosťou Sony v roku 1991. Spoločnosť ju zaviedla do svojich kamier a ďalšie spoločnosti nasledovali kroky tohto japonského výrobcu.
Princíp fungovania lítium-iónových batérií
Lítium-iónové batérie fungujú na princípe pohybu lítium-iónov medzi anódou a katódou.
Prečítajte si tiež: Výber batérií do kúpeľne z Merkury Market
- Počas nabíjania: Lítiové ióny sa pohybujú od uhlíkovej anódy ku katóde z oxidu lítia a iných kovov, kde sa ukladajú.
- Počas vybíjania: Tento proces sa vracia, lítiové ióny putujú späť k anóde, čím vytvárajú elektrický prúd.
Výhody lítium-iónových batérií
Veľká výhoda lítium-iónovej technológie v porovnaní s vtedy dominantným nikel-kadmiom bola veľmi rýchlo rozpoznaná. Medzi hlavné výhody patria:
- Vysoká hustota energie: Umožňuje akumulovať dvojnásobne väčšie zaťaženie v batérii rovnakej veľkosti.
- Vysoké napätie článkov: Batérie dosahujú vyššie napätie na úrovni 3,6 V. Nikel-kadmiové články dosahovali 1,2 V, takže na získanie podobného napätia by sme potrebovali až tri.
Konštrukcia lítium-iónových batérií
Lítium-iónová batéria sa skladá z nasledujúcich základných komponentov:
- Články: Základné zariadenie na skladovanie energie. Skladajú sa z elektród (anódy a katódy), separátora a elektrolytu. Teoreticky by samotný článok mohol fungovať ako batéria, ale v prípade lítium-iónovej by to bolo nebezpečné aj vďaka riziku prehriatia.
- Batérie: Zariadenia slúžiace na skladovanie elektrickej energie a sú navrhnuté tak, aby poskytovali túto energiu bezpečným spôsobom. Batéria môže obsahovať ľubovoľný počet článkov.
Dobíjacie lítium-iónové batérie môžu mať rôzne tvary, ale najčastejšie používanou formou valcových článkov je 18650. Toto číslo predstavuje priemer približne 18 mm a dĺžku približne 65 mm. Takéto články dosahujú maximálnu kapacitu 3500 mAh, ale prúd, ktorý môžu odrážať, sa môže líšiť v závislosti od ich konštrukcie.
Články môžu mať rôznu chemickú štruktúru, ktorá významne ovplyvňuje ich parametre. Najobľúbenejšou verziou je lítium-kobalt, pre konštrukciu článkov sa používajú aj mangán, titán, hliník alebo nikel v rôznych zmesiach a podieloch.
Väčšina lítium-iónových batérií sa skladá z vyššie uvedeného čísla 18650 článkov zapojených do série s vyšším napätím. Rovnaké články môžu tvoriť batériu do notebooku s napätím 10,8 V (6 článkov pripojených 3S2P, t.j. tri série a 2 paralelne) tak aj veľké batérie s napätím viac ako 400 V a maximálnym výkonom 451 kW. Táto batéria sa skladá z viac ako 7000 článkov typu 18650, podobných ako na obrázku vyššie. Všetko však naznačuje tomu, že táto technológia sa zmení na iný typ lítia. Spoločnosť Tesla spolu so spoločnosťou Panasonic vyvíja nový typ článku vo formáte 2170 s inou chemickou štruktúrou.
Prečítajte si tiež: Ako predísť vybitej batérii v aute
Kapacita v prípade li-ion batérií sa zvyčajne vyjadruje prostredníctvom mAh a pre každú batériu sa mení v dôsledku používania. Maximálna kapacita batérie do notebooku veľkosťou 4400 mAh sa po roku používania môže zmeniť, napríklad až na 4000 mAh. Druhým aspektom je spotreba energie. V prípade notebooku alebo telefónu môže spotreba energie vyplývať z mnohých aspektov, ako napríklad jas obrazovky, využívanie procesora, používania internetu a dokonca aj vek a teplota samotného zariadenia. V závislosti od týchto aspektov sa prevádzkový čas môže výrazne líšiť.
Systém správy batérií (BMS)
Modul systému správy batérií (BMS) je nevyhnutný na predĺženie životnosti batérie a tiež na ochranu akumulátora pred akýmkoľvek potenciálnym nebezpečenstvom. Pozostáva z integrovaných obvodov, ktoré monitorujú a riadia nabíjanie a vybíjanie batérie.
Funkcie BMS
- Ochrana proti prebitiu: Keď sa článok nabíja nad rámec bezpečného nabíjacieho napätia, je ovplyvnené zdravie článku a životný cyklus článku sa skracuje. Na ochranu článku pred prebíjaním využíva tento BMS ochranný mechanizmus proti prebitiu, ktorý odpojí batériu od nabíjačky.
- Ochrana proti nadmernému vybitiu: Keď napätie článku klesne pod bezpečné prevádzkové napätie, je ovplyvnené zdravie článku a životný cyklus článku sa skracuje. Na ochranu bunky pred nadmerným vybitím tento BMS využíva ochranu pred vybíjaním.
- Ochrana proti nadprúdu: Ochrana proti prepätiu v BMS je potrebná na ochranu batériových systémov pred nadprúdom alebo skratom, keď dôjde ku poruche skratu alebo k prudkému nárastu prúdu zo záťaže, ktorý je vyšší ako špecifikácia akumulátora. Tento stav môže ovplyvniť zdravie bunky alebo dokonca spôsobiť poškodenie bunky vedúce k požiarom. Na ochranu bunky pred nadprúdom využíva tento BMS nadprúdovú ochranu.
- Vyvažovanie článkov: Zabezpečuje rovnomerné nabíjanie a vybíjanie jednotlivých článkov v batérii, čím predlžuje jej životnosť.
Inovácie v technológii lítium-iónových batérií
Technológia li-ion a jej podobná lítium-polymer sú stále dominantné vo väčšine prenosných zariadení. To však neznamená že nedosahujeme žiadny pokrok. Existuje mnoho zlepšení, ktoré tlačia mobilné technológie dopredu. Určite jednou z nich je aj technológia ktorú sme spomínali vyššie, vytvorená spoločnosťou Tesla. Neskôr došlo k zlepšeniu v súvislosti s používaním grafénu. Ak nájdete jednoduchý a lacný spôsob získania grafénu, určite sa môže použiť na zlepšenie lítium-iónových článkov.
Recyklácia lítium-iónových batérií
Recyklácia batérií je dôležitou súčasťou nakladania s elektroodpadom. Batérie obsahujú množstvo látok, vrátane ťažkých kovov, a tiež chemické látky, ktoré pri nesprávnej likvidácii môžu poškodiť životné prostredie. Niektoré batérie (lítium-iónové) obsahujú vzácne kovy, ako napríklad kobalt alebo lítium. Hoci iba samotná recyklácia nedokáže poskytnúť dostatok suroviny na produkciu nových batérií.„Celkový dopad výroby Li-ion batérií by sa však mohol výrazne znížiť, ak by sa z vyradených kusov získavalo viac použiteľného materiálu. Z týchto batérií je však ťažké získať cenné materiály, preto je ich recyklácia menej zaujímavá,“ konštatujú vedci David Jecha a Vladimír Brunner z Ústavu procesného inžinierstva na VUT v Brne vo svojom príspevku o recyklácii Li-ion batérií v zborníku Vykurovanie 2025.„Spoločnosti, zameriavajúce sa na tento typ recyklácie, sú závislé na dotačných programoch, aby bolo toto odvetvie ziskové. Recyklačný priemysel je v porovnaní s väčším batériovým priemyslom malý a zatiaľ sa darí so ziskom recyklovať iba olovené batérie,“ objasňujú.Recyklácia lítium-iónových batérií je v súčasnosti podľa vedcov na nízkej úrovni nielen kvôli nedostatočnej ekonomickej motivácii. Aj preto, že iba málo batérií dosiahlo koniec svojej životnosti.
Proces recyklácie
- Úprava pred recykláciou: Pred samotnou recykláciou sa realizuje predúprava batérií. Pozostáva z procesov zvyšujúcich účinnosť získavania cenných materiálov a znižuje spotrebu energie v ďalších potrebných procesoch. Procesmi predúpravy sa oddeľuje katódový materiál od batérie, separátora, zberača prúdu, elektrolytu a ďalších prísad a spojov. Po roztriedení a demontáži sa batérie mechanicky drvia. Drvenie je obzvlášť dôležité pre hydrometalurgický proces recyklácie.
- Oddeľovanie zložiek: Kovové zložky vyradenej batérie sa oddeľujú preosievaním, pričom vznikajú rôzne veľké frakcie jednotlivých častíc. Hrubá frakcia obsahuje spravidla plasty, separátory, hliníkové a medené fólie. Oddeľovanie jednotlivých zložiek sa realizuje rôznymi technikami - magnetickou, elektrostatickou, gravitačnou, ultrazvukovou a vzdušnou separáciou.
- Získavanie cenných kovov: Jemná frakcia, nazývaná „čierna hmota“, obsahuje všetky cenné kovy, vytvárajúce kladnú a zápornú elektródu batérie. Ide o lesklú zmes kovov, ktorej charakteristickú čiernu farbu spôsobuje vysoká koncentrácia grafitu v anóde batérie. Spracovávanie použitých batérií prebieha v niekoľkých fázach. Po predúprave sa batériová buničina recykluje pomocou chemických postupov pre získanie cenných kovov.
Prečítajte si tiež: Štartovacia batéria Bosch 0 092 S40 080