Přeskočit na obsah

Lithium-iontový akumulátor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Specifikace baterie
3,6 V Li-ion akumulátor z mobilního telefonu Nokia 3310
3,6 V Li-ion akumulátor z mobilního telefonu Nokia 3310
Energie/hmotnost100–265 Wh/kg (0,360–0,954 MJ/kg)[1][2]
Energie/objem250–693 Wh/L (0,90–2,49 MJ/L)[3][4]
Výkon/hmotnostasi 250–340 W/kg[1]
Efektivita nabíjení/vybíjení80–90%[5]
Energie/spotřebitelská cena0,35 Wh/Kč (2900 Kč/kWh)[6]
Samovybíjení0,35 % až 2,5 % měsíčně v závislosti na stavu nabití[7]
Životnost v cyklech400–1200 cyklů[8]
Nominální napětí článku3,6 / 3,7 / 3,8 / 3,85 V, LiFePO4 3,2 V, Li4Ti5O12 2,3 V
Válcový článek 18650 před uzavřením

Lithium-iontový akumulátor nebo Lithium-iontová baterie (zkráceně Li-Ion) je typ dobíjecí baterie, která k ukládání energie využívá vratnou redukci iontů lithia. Zápornou elektrodou běžného článku lithium-iontové baterie je obvykle grafit, forma uhlíku; kladnou elektrodou je obvykle oxid kovu.[9] Elektrolytem je obvykle lithiová sůl v organickém rozpouštědle.[10][11]

Jedná se o převažující typ baterií používaných v přenosné spotřební elektronice a elektromobilech. Významné využití nachází také v oblasti skladování energie v rozvodných sítích a ve vojenských a leteckých aplikacích. Ve srovnání s jinými technologiemi dobíjecích baterií mají Li-ion baterie vysokou hustotu energie, nízké samovybíjení a nulový paměťový efekt (i když malý paměťový efekt zaznamenaný u LFP baterií byl vysledován u špatně vyrobených článků).[12]

Chemické složení, výkonnost, náklady a bezpečnostní charakteristiky se u různých typů lithium-iontových baterií liší. Většina komerčních lithium-iontových článků používá jako aktivní materiály interkalační sloučeniny. Anoda nebo záporná elektroda je obvykle grafitová, i když se stále častěji používá také kompozit křemík-uhlík. Články mohou být vyráběny tak, aby upřednostňovaly buď hustotu energie, nebo výkonu.[13] V kapesní elektronice se většinou používají lithium-polymerové baterie (s polymerním gelem jako elektrolytem), spolu s katodou z oxidu lithno-kobaltitého (LiCoO2) a grafitovou anodou, které společně nabízejí vysokou hustotu energie.[14][15] Fosforečnan lithno-železnatý (LiFePO4), lithium-mangan oxidy (spinelid LiMn2O4 nebo vrstvené materiály bohaté na lithium na bázi Li2MnO3, LMR-NMC) a lithium-nikl-mangan-kobalt oxid (LiNiMnCoO2 nebo NMC) mohou nabízet delší životnost a mohou mít vyšší výkon. NMC a jeho deriváty se hojně využívají při elektrifikaci dopravy, jako jedna z hlavních technologií (v kombinaci s obnovitelnou energií) pro snížení emisí skleníkových plynů z vozidel.[16]

Michael Stanley Whittingham objevil v 70. letech 20. století koncept interkalačních elektrod a vytvořil první dobíjecí lithium-iontovou baterii, která byla založena na anodě z disulfidu titaničitého a katodě z lithia a hliníku, nicméně trpěla bezpečnostními problémy a nikdy nebyla komerčně využita.[17] John Goodenough tuto metodu v roce 1980 rozšířil a jako katodu použil oxid lithno-kobaltitý.[18] První prototyp moderní lithium-iontové baterie, která místo kovového lithia používá anodu z uhlíku, vyvinul Akira Jošino v roce 1985 a v roce 1991 ji komercializoval tým společností Sony a Asahi Kasei pod vedením Jošio Nišiho.[19]

Lithium-iontové baterie mohou představovat bezpečnostní riziko, pokud nejsou správně navrženy a vyrobeny, protože články obsahují hořlavé elektrolyty a v případě poškození nebo nesprávného nabíjení mohou vést k explozím a požárům. Ve výrobě bezpečných lithium-iontových baterií bylo dosaženo velkého pokroku ve vývoji,[20] v současné době se vyvíjejí lithium-iontové baterie plně v pevném skupenství, aby se odstranil hořlavý elektrolyt. Nesprávně recyklované baterie mohou vytvářet toxický odpad, zejména z toxických kovů, a hrozí u nich riziko požáru. Lithium i další hlavní strategické nerosty používané v bateriích mají navíc značné problémy při těžbě, přičemž lithium je náročné na spotřebu vody v často suchých oblastech a další nerosty jsou často těženy ve válečných zónách, například kobalt. Tyto dva environmentální problémy podnítily některé výzkumníky ke zefektivnění využití minerálů a k alternativám, jako jsou baterie typu železo-vzduch.

Mezi oblasti výzkumu lithium-iontových baterií patří mimo jiné prodloužení životnosti, zvýšení hustoty energie, zlepšení bezpečnosti, snížení nákladů a zvýšení rychlosti nabíjení.[21][22] Výzkum probíhá v oblasti nehořlavých elektrolytů jako cesty ke zvýšení bezpečnosti kvůli hořlavosti a těkavosti organických rozpouštědel používaných v typickém elektrolytu. Strategie k nahrazení hořlavých elektrolytů zahrnují lithium-iontové baterie na vodní bázi, pevné keramické elektrolyty, polymerní elektrolyty, iontové kapaliny a silně fluorované systémy.[23][24][25][26]

Vývoj

[editovat | editovat zdroj]

První experimenty prováděl G. N. Lewis v roce 1912. Návrh proběhl roku 1960, poté byla baterie vyvíjena hlavně v Bellových laboratořích. První prodejní verzi vyrobila firma Sony v roce 1991.

Zásoby lithia se odhadují na pokrytí výroby akumulátorů pro 10 miliard automobilů.[27] Při odhadovaném počtu automobilů[28] a životnosti akumulátorů nelze očekávat pokrytí spotřeby do konce 21. století, pokud se od poloviny století budou vyrábět pouze elektromobily.[29][30]

Technologie

[editovat | editovat zdroj]

Anoda je vyrobena z uhlíku, katoda je oxid kovu a elektrolyt je lithiová sůl v organickém rozpouštědle.

Základní zjednodušená chemická reakce nabíjení a vybíjení:

Nabíjení je endotermická chemická reakce (odebírá z okolí teplo, čímž se okolí ochlazuje), která se však měřitelně projeví jen na počátku nabíjení, poté ji převýší ostatní zdroje generovaného tepla (vlivem procházejícího proudu, resp. pohybu iontů v materiálu).[31] Řídící obvod pro nabíjení pomocí teplotního čidla sleduje vnitřní teplotu a pokud se začne akumulátor přehřívat, dojde k omezení nabíjecího proudu (nebo zastavení nabíjení), aby nedošlo k překročení bezpečné teploty (většinou 45 °C).[31] Vybíjení je exotermická reakce a k zahřívání akumulátoru dochází po celou dobu vybíjecího cyklu.[31] Opět je vhodné sledovat teplotu akumulátoru a případně proudový odběr omezit, aby nedošlo k přehřátí akumulátoru (nad 60 °C),[31] protože vysoká teplota způsobuje zkrácení životnosti nebo až úplnou destrukci akumulátoru. Při stejné rychlosti generuje nabíjení více tepla než vybíjení.[32]

Používáním se akumulátor opotřebovává. U konstrukce lithium-iontového akumulátoru je jedním z problémů vylučování látek z anody a růst dendritů z jejího povrchu. Dendrity při růstu vnikají do bariéry oddělující anodu a katodu, což snižuje kapacitu baterie a nakonec může vyvolat zkrat a úplné zničení článku. Tento problém je však menší než u akumulátorů s pevným elektrolytem.[33]

Napětí

[editovat | editovat zdroj]

Jmenovité napětí Li-ion článku dané normami je 3,6 V, případně 3,7 V (USA), v případě baterií s více sériově zapojenými články pak jeho násobky (7,2 - 10,8 - 14,4 - 18 V), ale může se lišit podle konkrétního typu článku. Skutečné výstupní napětí záleží na typu článku a může se pohybovat až mezi 2,5 – 4,2 V (vybitý – nabitý článek).[34] Napětí článku slouží k indikaci míry vybití akumulátoru a řídící obvody zamezují překročení hranic stanovených výrobcem. Překročení hranic zkracuje životnost článku a může ho i zničit. Vlivem samovybíjení může napětí klesnou pod spodní hranici, což také vede k poškození článku, a proto je potřeba články udržovat v přiměřeně nabitém stavu.[34]

Výhody

[editovat | editovat zdroj]
  • Může být vyrobena v různých tvarech.
  • Velmi vysoká hustota energie – 200 Wh/kg, 530 Wh/l – třikrát vyšší hodnota než starší typy jako Ni-MH.
  • Relativně vysoká kapacita s malým objemem a hmotností.
  • Téměř žádné samovybíjení (do 5 %).
  • Není ji třeba formovat – několikrát nabíjet a vybíjet před prvním použitím.
  • Vysoké nominální napětí: 3,6 V
  • Životnost 500–1200 nabíjecích cyklů.

Nevýhody

[editovat | editovat zdroj]
  • Baterie stárne, tedy ztrácí maximální kapacitu nehledě na to, jestli je nebo není používána (již od výroby). Rychlost tohoto stárnutí se zvyšuje s vyšší teplotou, vyšším stavem nabití, a vyšším vybíjecím proudem/zatížením.[35]
  • Nebezpečí výbuchu nebo vznícení při nesprávném používání (zkratování, nabíjení na vyšší kapacitu než je baterie schopna pojmout).
  • Vadí jí úplné vybití. Když se dostane pod napětí 2,8 V, je velmi těžké ji znovu „oživit“.
  • Proto baterie, která je dlouhou dobu ponechána vybitá, může „zemřít“ (sama se vybít pod přípustnou hodnotu).
  • Recyklace je zatím velmi obtížná a nákladná. Dostupné metody recyklace jsou přibližně pětkrát nákladnější než těžba nových surovin.[36] Méně než 1 % baterií je recyklovatelné.[37]
  • Akumulátory jsou nebezpečím pro životní prostředí. Dostávají se do něj nanočástice[38] či PFAS.[39]

Jak prodloužit životnost

[editovat | editovat zdroj]
ikona
Tento článek potřebuje úpravy.
Můžete Wikipedii pomoci tím, že ho vylepšíte. Jak by měly články vypadat, popisují stránky Vzhled a styl, Encyklopedický styl a Odkazy.
Konkrétní problémy: Wiki není návod
  • Skladujte a používejte je při nižších teplotách (5–15 °C). S rostoucí teplotou životnost klesá. Zchlazení na −35 °C životnost nenaruší.[40] Vnitřní elektrolyt ale zmrzne okolo −40 °C.
  • Nenechávejte zbytečně dlouho plně nabité nebo úplně vybité baterie stát.
  • Neudržujte je stále při 100% nabití. Ideální je udržovat akumulátor mezi 20–80 % kapacity. Při 40% nabití je životnost zhruba 3× delší.[41]
  • Nevybíjejte do úplného vybití. Dlouhodobé vybití vede k jejímu zničení.
  • S hloubkou vybíjení (DoD) se životnost baterie snižuje. Občasné vybíjení, které je často doporučováno, rekalibruje sice indikátor nabití, ale životnosti baterie neprospívá.[42]

Recyklace

[editovat | editovat zdroj]

Recyklace lithiových článků a akumulátorů dosahuje zatím globálně pouze 1 %.[43] Naopak recyklace olověných akumulátorů, které jsou zatím nejrozšířenějším akumulátorem na světě, dosahuje v USA až 99 % a představují tak cirkulární ekonomiku.[44]

Zvětšení podílu recyklace u lithiových baterií brání jednak jejich rozmanitost a jednak nákladnost celého procesu. Recyklace je prováděna suchou (rozdrcení a tavba), mokrou cestou (rozdrcení a chemicky). Větších úspěchů by mohl dosáhnout proces, při kterém je nejprve baterie rozebrána na jednotlivé díly a ty jsou pak odděleně recyklovány. Tomu však brání rozmanitost lithiových baterií (tvary i technologie) a náročnost celého procesu (jak energetická a chemická, tak zátěží životního prostředí), a proto jsou baterie zatím vyráběny z nově vytěženého lithia. Použité lithiové baterie jsou ukládány na skládky s jiným odpadem (nebo spalovány).[43]

Odkazy

[editovat | editovat zdroj]

Reference

[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Lithium-ion battery na anglické Wikipedii.

  1. ↑ a b Rechargeable Li-Ion OEM Battery Products [online]. Panasonic.com [cit. 2010-04-23]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 13 April 2010. 
  2. ↑ Panasonic Develops New Higher-Capacity 18650 Li-Ion Cells; Application of Silicon-based Alloy in Anode [online]. greencarcongress.com [cit. 2011-01-31]. Dostupné online. 
  3. ↑ NCR18650B [online]. Panasonic [cit. 2016-10-07]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 17 August 2018. 
  4. ↑ NCR18650GA [online]. [cit. 2017-07-02]. Dostupné online. 
  5. ↑ (1–2 November 2007) "The effect of PHEV and HEV duty cycles on battery and battery pack performance" in Proceedings of the Plug-in Highway Electric Vehicle Conference.. 
  6. ↑ Battery Pack Prices Fall to an Average of $132/kWh, But Rising Commodity Prices Start to Bite [online]. Bloomberg New Energy Finance, 30 November 2021 [cit. 2022-01-06]. Dostupné online. 
  7. ↑ REDONDO-IGLESIAS, Eduardo; VENET, Pascal; PELISSIER, Serge. 2016 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC). [s.l.]: [s.n.], 2016. Dostupné online. ISBN 978-1-5090-3528-1. DOI 10.1109/VPPC.2016.7791723. S2CID 22822329. Kapitola Measuring Reversible and Irreversible Capacity Losses on Lithium-Ion Batteries, s. 7. 
  8. ↑ Battery Types and Characteristics for HEV Archivováno 20. 5. 2015 na Wayback Machine. ThermoAnalytics, Inc., 2007. Retrieved 11 June 2010.
  9. ↑ LIBICH, Jiří. ZÁPORNÁ ELEKTRODA PRO LITHNO-IONTOVÉ AKUMULÁTORY. Disertační práce. Vysoké učení technické v Brně - Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Vedoucí práce prof. Ing. Jiří Vondrák, DrSc. Dostupné online.
  10. ↑ Silberberg, M. (2006). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change, 4th Ed. New York (NY): McGraw-Hill Education. p. 935, ISBN 0077216504.
  11. ↑ LI, Ao; YUEN, Anthony Chun Yin; WANG, Wei; DE CACHINHO CORDEIRO, Ivan Miguel; WANG, Cheng; CHEN, Timothy Bo Yuan; ZHANG, Jin. A Review on Lithium-Ion Battery Separators towards Enhanced Safety Performances and Modelling Approaches. Molecules. January 2021, s. 478. ISSN 1420-3049. DOI 10.3390/molecules26020478. PMID 33477513. (anglicky) 
  12. ↑ Understanding memory effect in Lithium-ion batteries • EVreporter [online]. 25 July 2022. Dostupné online. 
  13. ↑ LAIN, Michael J.; BRANDON, James; KENDRICK, Emma. Design Strategies for High Power vs. High Energy Lithium Ion Cells. Batteries. December 2019, s. 64. DOI 10.3390/batteries5040064. (anglicky) 
  14. ↑ MAUGER, A; JULIEN, C.M. Critical review on lithium-ion batteries: are they safe? Sustainable?. Ionics. 28 June 2017, s. 1933–1947. Dostupné online. DOI 10.1007/s11581-017-2177-8. S2CID 103350576. 
  15. ↑ Mark Ellis, Sandy Munro. YouTube. Sandy Munro on Tesla's Battery Tech Domination. [s.l.]: E for Electric, 4 June 2020. Dostupné online. S. 3:53–5:50. 
  16. ↑ ZHANG, Runsen; FUJIMORI, Shinichiro. The role of transport electrification in global climate change mitigation scenarios. Environmental Research Letters. 2020-02-19, s. 034019. ISSN 1748-9326. DOI 10.1088/1748-9326/ab6658. S2CID 212866886. Bibcode 2020ERL....15c4019Z. (anglicky) 
  17. ↑ Binghamton professor recognized for energy research [online]. [cit. 2019-10-10]. Dostupné online. 
  18. ↑ The Nobel Prize in Chemistry 2019 [online]. Nobelstiftelsen, 2019 [cit. 2020-01-01]. Dostupné online. 
  19. ↑ Yoshio Nishi [online]. [cit. 2019-10-12]. Dostupné online. 
  20. ↑ Review: A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standardsElsevier Journal of Energy Chemistry Volume 59, August 2021, Pages 83-99. DOI:10.1016/j.jechem.2020.10.017
  21. ↑ EFTEKHARI, Ali. Lithium-Ion Batteries with High Rate Capabilities. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2017, s. 2799–2816. DOI 10.1021/acssuschemeng.7b00046. 
  22. ↑ Rising Lithium Costs Threaten Grid-Scale Energy Storage - News [online]. [cit. 2022-11-02]. Dostupné online. (anglicky) 
  23. ↑ HOPKINS, Gina. Watch: Cuts and dunks don't stop new lithium-ion battery - Futurity. Futurity. 16 November 2017. Dostupné online [cit. 10 July 2018]. 
  24. ↑ CHAWLA, N.; BHARTI, N.; SINGH, S. Recent Advances in Non-Flammable Electrolytes for Safer Lithium-Ion Batteries. Batteries. 2019, s. 19. DOI 10.3390/batteries5010019. 
  25. ↑ YAO, X.L.; XIE, S.; CHEN, C.; WANG, Q.S.; SUN, J.; WANG, Q.S.; SUN, J. Comparative study of trimethyl phosphite and trimethyl phosphate as electrolyte additives in lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 2004, s. 170–175. DOI 10.1016/j.jpowsour.2004.11.042. 
  26. ↑ FERGUS, J.W. Ceramic and polymeric solid electrolytes for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 2010, s. 4554–4569. DOI 10.1016/j.jpowsour.2010.01.076. Bibcode 2010JPS...195.4554F. 
  27. ↑ http://auto.idnes.cz/lithia-mame-dost-pro-baterky-10-miliard-elektromobilu-je-ale-v-nejistych-zemich-1xb-/automoto.aspx?c=A100826_190836_automoto_vok - Lithia máme dost pro baterky 10 miliard elektromobilů, je ale v nejistých zemích
  28. ↑ http://www.euro.cz/light/pruzkum-pocet-aut-ve-svete-se-do-roku-2040-zdvojnasobi-1287909 - Průzkum: počet aut ve světě se do roku 2040 zdvojnásobí
  29. ↑ ČTK. Umíráček pro spalovací motory? Francie chce s auty na benzin a naftu skončit do roku 2040. iROZHLAS [online]. Český rozhlas, 2017-07-06 [cit. 2023-12-13]. Dostupné online. 
  30. ↑ http://auto.idnes.cz/zakaz-klasickych-motoru-v-britanii-du5-/automoto.aspx?c=A170726_091754_automoto_fdv - Británie od roku 2040 zakáže prodej benzinových a naftových aut
  31. ↑ a b c d GUNDERSON, David. StackPath. Electronicdesign.com [online]. 2009-07-29 [cit. 2023-03-09]. Dostupné online. 
  32. ↑ GAO, Tianfeng; WANG, Zhirong; CHEN, Shichen. Hazardous characteristics of charge and discharge of lithium-ion batteries under adiabatic environment and hot environment. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019-10-01, roč. 141, s. 419–431. Dostupné online [cit. 2023-03-09]. ISSN 0017-9310. DOI 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.06.075. (anglicky) 
  33. ↑ JÉGL, Pavel. Nová polovodičová baterie může nakopnout elektromobilitu. Má úžasnou výdrž. Nedd.cz [online]. 2024-01-12 [cit. 2024-01-12]. Dostupné online. 
  34. ↑ a b Technika - špičkové li-ion baterie. luciferlights.net [online]. [cit. 2023-03-09]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2023-03-09. 
  35. ↑ https://techxplore.com/news/2021-12-scientists-batteries-minutes.html - Scientists identify another reason why batteries can't charge in minutes
  36. ↑ BŘEZINOVÁ, Jana. 7 problémů, které budou muset elektromobily vyřešit [online]. [cit. 2019-09-26]. Dostupné online. 
  37. ↑ https://techxplore.com/news/2022-02-issue-battery-recyclability.html - Researcher examines the issue of battery recyclability
  38. ↑ (anglicky)Nanoparticles may have bigger impact on the environment than previously thought
  39. ↑ Lithium ion batteries a growing source of PFAS pollution, study finds. phys.org [online]. [cit. 2024-07-08]. Dostupné online. 
  40. ↑ https://techxplore.com/news/2019-12-car-batteries-frozen-safer.html – Car batteries can be frozen for safer transportation
  41. ↑ How to Prolong Lithium-based Batteries – http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries
  42. ↑ http://www.gamersnexus.net/guides/899-battery-myths-li-ion-battery-management – Busting Battery Myths: Taking Care of Li-Ion Batteries
  43. ↑ a b EVERGREEN, Shel. Lithium costs a lot of money—so why aren’t we recycling lithium batteries?. Ars Technica [online]. 2022-04-19 [cit. 2022-04-26]. Dostupné online. (anglicky) 
  44. ↑ The Circular Economy of Lead Batteries [online]. 2024-01-18 [cit. 2024-07-29]. Dostupné online. 

Související články

[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy

[editovat | editovat zdroj]
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Lithium-iontový_akumulátor&oldid=24320668“