Akumulatory litowo-jonowe – opis, działanie i zastosowanie
Wszystko wskazuje na to, że samochody na benzynę i olej napędowy odejdą w końcu w zapomnienie. Akumulatory litowo-jonowe to jedna z opcji napędzania aut elektrycznych, które mają przewozić nas z miejsca na miejsce bez obciążania atmosfery szkodliwymi emisjami. Na ile perspektywiczna, wiarygodna i opłacalna jest to technologia? W jaki sposób baterie litowo-jonowe oddziałują na środowisko?
Po prawie trzydziestu latach badań i eksperymentów w 1991 r. firma Sony wypuściła na rynek pierwsze ładowalne baterie litowo-jonowe. Od tamtej pory technologia Li-Ion poczyniła ogromne postępy. Zwiększyła się też skala jej zastosowania – w 2010 r. globalna produkcja wyniosła 20 GWh, a dziesięć lat później już 767 GWh.
Ciekawostka: W 2019 r. trójka naukowców: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham oraz Akira Yoshino podzieliła się nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za swój wkład w rozwój nowoczesnej baterii litowo-jonowej.
Akumulatory litowo-jonowe: na czym polega ich działanie?
Tradycyjne akumulatory samochodowe opierają się na technologii kwasowo-ołowiowej. Dwie elektrody – jedna z metalicznego ołowiu, a druga z tlenku ołowiu – zanurzone są w płynnym elektrolicie będącym wodnym roztworem kwasu siarkowego. Po podłączeniu do prądu (podczas ładowania) na elektrodach zachodzą reakcje utleniania i redukcji, które pozwalają magazynować prąd. Przy rozładowywaniu te same procesy zachodzą w drugą stronę, a prąd elektryczny przekazywany jest do urządzenia odbiorczego.
W przypadku baterii litowo-jonowych ogólna zasada działania jest taka sama. Jedna elektroda wykonana jest również z tlenku metalu, ale druga jest węglowa (grafitowa). Obie zanurzone są w elektrolicie, który zawiera sole litu, najlżejszego metalu na świecie. Nie jest to bynajmniej roztwór wodny, ale mieszanka organicznych węglanów w szczelnie zamkniętej obudowie. W czasie rozładowywania akumulatora anoda produkuje dodatnio naładowane jony litu oraz elektrony (o ujemnym ładunku). Jony wędrują poprzez elektrolit do katody, podczas gdy elektrony przesyłane są obwodem zewnętrznym, co generuje energię elektryczną potrzebną do zasilania. Po dotarciu do katody jony ponownie łączą się z elektronami i ulegają neutralizacji. Podczas ładowania baterii litowo-jonowej procesy te zachodzą dokładnie odwrotnie.
W bateriach Li-Ion katoda i anoda rozdzielone są separatorem, ale jony litu są na tyle małe, że swobodnie przez niego przenikają. Rolą separatora jest zapewnienie baterii stabilności i bezpieczeństwa poprzez oddzielenie anody i katody. W zależności o typu akumulatora katoda może być wykonana z tlenku kobaltu i litu, fosforanu żelaza i litu lub tlenku manganu i litu.
Zalety akumulatorów litowo-jonowych
Wyjątkowe właściwości akumulatorów litowo-jonowych są pochodną właściwości samego litu. Jego atomy posiadają wyjątkowo małą masę i średnicę (mniejsze są tylko atomy wodoru i helu), dzięki czemu technologia Li-Ion oferuje wyjątkowo wysokie napięcie oraz pojemność w przeliczeniu na jednostkę wagi i objętości.
W porównaniu z innymi ładowalnymi bateriami akumulatory litowo-jonowe odznaczają się więc jedną z najwyższych gęstości energii, dochodzącą do 300 watogodzin na 1 kg – to nawet cztery razy więcej niż w alternatywnych ogniwach. Są one przy tym w stanie dostarczyć napięcia na poziomie 3,6 woltów, co ma ogromne znaczenie w motoryzacji. Łatwe w eksploatacji, nie posiadają efektu pamięci, co oznacza, że powtarzalne niepełne ładowanie lub rozładowanie nie ogranicza ich pojemności. Dodatkowo akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się wyjątkowo niskim poziomem samorozładowania (na poziomie ok. 1,5-2% miesięcznie) oraz długą żywotnością.
Wobec tej pozytywnej litanii można by spytać czy baterie litowo-jonowe mają w ogóle jakieś wady? Największą wydaje się być cena, nieporównywalnie wyższa niż w przypadku innych technologii. Poza tym ogniwa litowo-jonowe nie są tak bezpieczne, jakbyśmy sobie tego życzyli – maję tendencję do przegrzewania się i w przypadku uszkodzenia mogą nawet eksplodować. Z tego też powodu wielu przewoźników nakłada limity na transport lotniczy baterii litowo-jonowych w większych ilościach. Wreszcie, w długim okresie czasu baterie Li-Ion podlegają znaczącej degradacji i wyraźnie tracą na pojemności.
Gdzie wykorzystuje się baterie i akumulatory litowo-jonowe?
Lekkość i małe rozmiary przy wysokiej gęstości energii oraz napięciu jednostkowym to zalety, które sprawiły, że baterie litowo-jonowe są bardzo szeroko wykorzystywane w przemyśle. Jednym z najpowszechniejszych zastosowań jest sprzęt elektroniczny, a więc wszechobecne dziś smartfony, tablety czy laptopy, a także zegarki, aparaty fotograficzne, itd. Poza tym baterie Li-Ion wykorzystuje się w narzędziach elektrycznych i budowlanych, sprzęcie medycznym, urządzeniach przemysłowych i systemach magazynowych. Znajdują zastosowanie w pojazdach z napędem elektrycznym typu wózki inwalidzkie, wózki golfowe, skutery, a coraz częściej również samochodach elektrycznych.
Szeroko rozważa się również wykorzystanie akumulatorów litowo-jonowych w systemach magazynowania energii, np. związanych z fotowoltaiką. To zastosowanie jak dotąd jest jednak kontrowersyjne z punktu widzenia ekonomicznej opłacalności.
Zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych w samochodach
Akumulatory do aut elektrycznych muszą być kompaktowe, zdolne do szybkiego i częstego doładowywania, a przede wszystkim wyjątkowo pojemne. To właśnie ograniczony zasięg przejazdu na jednym ładowaniu był największym problemem w pierwszych pojazdach „na prąd”.
W nowoczesnych autach elektrycznych wykorzystuje się przede wszystkim akumulatory litowo-jonowe z elektrodami litowo-kobaltowymi (LCO) lub litowo-niklowo-kobaltowymi (NCA). Ogniwa dostępne są przy tym w trzech podstawowych formach: cylindrycznej, pryzmatycznej i kieszeniowej. Każda z nich ma swoje wady i zalety. Dla przykładu w samochodach Tesla wykorzystuje się cylindryczne baterie zawierające prawie 3 tysiące ogniw Li-Ion. Cechują się one nadprzeciętną gęstością energii, ale są dość nieporęczne. Marka Volkswagen preferuje za to ogniwa pryzmatyczne, które są lżejsze i łatwiej mieszczą się w małych przestrzeniach, ale za to mają zwykle niższą żywotność niż te cylindryczne. Jeszcze bardziej „elastyczne” są baterie kieszeniowe wykorzystywane m.in. przez markę Hyundai, ale z drugiej strony, podlegają większemu ryzyku pęcznienia i zapalenia.
Jak widać, wykorzystanie technologii Li-Ion w autach elektrycznych nie jest pozbawione wyzwań i ograniczeń. Wiążą się one nie tylko z samymi aspektami technicznymi, ale i sposobem użytkowania. Podczas gdy akumulator litowo-jonowy jest bowiem w stanie zapewnić kierowcy ok. 320 tysięcy kilometrów (co można przełożyć na ok. 17 lat jazdy), jego realna żywotność zależy w dużej mierze od tego jak był ładowany i rozładowywany oraz w jakich temperaturach był eksploatowany. W wielu samochodach elektrycznych montowane są już specjalne system ogrzewania i chłodzenia akumulatora, aby zapewnić mu większą trwałość.
Czy akumulatory litowo-jonowe są ekologiczne?
Auta elektryczne z akumulatorami przedstawiane są jako ukłon w kierunku czystszej, zdrowszej planety. Niestety, choć emisje z rury wydechowej zostają wyeliminowane, sama tylko produkcja ogniw Li-Ion nie pozostaje bez wpływu na środowisko naturalne. Problemem jest przede wszystkim samo wydobycie litu, niklu i kobaltu. Przy pozyskiwaniu litu często dochodzi na przykład do skażenia wód powierzchniowych, w tym zbiorników wody pitnej. Zatrucie litem prowadzi z kolei do degradacji całych ekosystemów, a u ludzi wywołuje problemy oddechowe.
Kontrowersyjne jest również wydobycie kobaltu, o którym już dziś mówi się jako o czarnej stronie transformacji energetycznej. Największym na świecie producentem tego cennego dla baterii pierwiastka jest Demokratyczna Republika Kongo, gdzie bezpieczeństwo pracy górników niestety jest dalekie od standardów. A kobalt jest wysoce toksyczny dla oczu, skóry, serca i płuc; w długim okresie czasu zwiększa też ryzyko rozwoju nowotworów.
Co więcej, produkcja ogniw litowo-jonowych sama w sobie jest dość energochłonna. Niestety, w 2019 r. zaledwie 5% baterii Li-Ion było poddanych recyklingowi. Jak dotąd nie jest to proces opłacalny. Więcej mówi się raczej o ponownym wykorzystaniu zużytych akumulatorów, których wydajność sięga często nawet 80%.
Eksperci przewidują, że przyszłe akumulatory litowo-jonowe do samochodów będą ewoluować w stronę niższej zawartości lub całkowitej rezygnacji z kobaltu, a także wykorzystania bezpieczniejszych, stałych elektrolitów. Bardzo obiecująco wyglądają również baterie na bazie grafenu lub nanorurek węglowych, które prawdopodobnie będą w stanie magazynować jeszcze więcej energii. W fazie badań znajdują się jednak i alternatywy dla technologii Li-Ion, w tym baterie cynkowo-powietrzne, aluminiowo-powietrzne czy nawet piaskowe. Czas pokaże, która z tych technologii będzie napędzać nasze auta za 50 lat.
- „What Are Lithium-Ion Batteries?” UL Research Institutes, https://ul.org/research/electrochemical-safety/getting-started-electrochemical-safety/what-are-lithium-ion, 20/11/2023;
- “LITHIUM-ION BATTERY” Clean Energy Institute, https://www.cei.washington.edu/research/energy-storage/lithium-ion-battery/, 20/11/2023;
- “A Review of Lithium-Ion Battery for Electric Vehicle Applications” Weidong Chen i in., https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610219308215, 20/11/2023;
- “WHAT ARE THE 14 MOST POPULAR APPLICATIONS & USES OF LITHIUM BATTERIES?” Dave Murden, https://ecotreelithium.co.uk/news/lithium-batteries-uses-and-applications/, 20/11/2023;
- “What Types of Batteries Are Used in Electric Cars?” Dragonfly energy, https://dragonflyenergy.com/electric-car-batteries/, 20/11/2023;
- “Cobalt Mining: The Dark Side of the Renewable Energy Transition” Aphra Murray, https://earth.org/cobalt-mining/, 20/11/2023;
