Lithium-iontový akumulátor

Lithium-iontový akumulátorneboLithium-iontová baterie(zkráceněLi-Ion) je typdobíjecí baterie, která k ukládání energie využívá vratnouredukciiontůlithia. Zápornou elektrodou běžného článku lithium-iontové baterie je obvyklegrafit, forma uhlíku; kladnou elektrodou je obvykleoxidkovu.Elektrolytemje obvykle lithiovásůlvorganickémrozpouštědle.
Jedná se o převažující typ baterií používaných v přenosnéspotřební elektroniceaelektromobilech. Významné využití nachází také v oblastiskladování energievrozvodných sítícha ve vojenských aleteckýchaplikacích. Ve srovnání s jinými technologiemi dobíjecích baterií mají Li-ion baterie vysokou hustotu energie, nízkésamovybíjenía nulový paměťový efekt (i když malý paměťový efekt zaznamenaný uLFP bateriíbyl vysledován u špatně vyrobených článků).
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 takékompozitkřemík-uhlík. Články mohou být vyráběny tak, aby upřednostňovaly buď hustotu energie, nebovýkonu.V kapesní elektronice se většinou používajílithium-polymerové baterie(s polymerním gelem jako elektrolytem), spolu s katodou z oxidu lithno-kobaltitého (LiCoO2) a grafitovou anodou, které společně nabízejí vysokou hustotu energie.Fosforečnan lithno-železnatý (LiFePO4), lithium-mangan oxidy (spinelidLiMn2O4nebo vrstvené materiály bohaté na lithium na bázi Li2MnO3, LMR-NMC) a lithium-nikl-mangan-kobalt oxid (LiNiMnCoO2nebo 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 sobnovitelnou energií) pro snížení emisískleníkových plynůz vozidel.
Michael Stanley Whittinghamobjevil 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.John Goodenoughtuto metodu v roce 1980 rozšířil a jako katodu použil oxid lithno-kobaltitý.První prototyp moderní lithium-iontové baterie, která místo kovového lithia používá anodu z uhlíku, vyvinulAkira Jošinov roce 1985 a v roce 1991 ji komercializoval tým společnostíSonya Asahi Kasei pod vedením Jošio Nišiho.
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,v současné době se vyvíjejí lithium-iontové baterie plně v pevném skupenství, aby se odstranil hořlavýelektrolyt. Nesprávněrecyklovanébaterie 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, napříkladkobalt. 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.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.
První experimenty provádělG. N. Lewisv roce1912. Návrh proběhl roku1960, poté byla baterie vyvíjena hlavně vBellových laboratořích. První prodejní verzi vyrobila firmaSonyv roce1991.
Zásoby lithia se odhadují na pokrytí výroby akumulátorů pro 10 miliard automobilů.Při odhadovaném počtu automobilůa životnosti akumulátorů nelze očekávat pokrytí spotřeby do konce 21. století, pokud se od poloviny století budou vyrábět pouze elektromobily.
Anodaje vyrobena zuhlíku,katodajeoxidkovuaelektrolytjelithiovásůlv organickémrozpouštědle.
Základní zjednodušená chemická reakce nabíjení a vybíjení:
Nabíjení jeendotermická 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).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).Vybíjení je exotermická reakce a k zahřívání akumulátoru dochází po celou dobu vybíjecího cyklu.Opět je vhodné sledovat teplotu akumulátoru a případně proudový odběr omezit, aby nedošlo k přehřátí akumulátoru (nad 60 °C),protože vysoká teplota způsobuje zkrácení životnosti nebo až úplnou destrukci akumulátoru. Při stejné rychlosti generuje nabíjení více tepla než vybíjení.
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.
Jmenovité napětíLi-ion článku danénormamije 3,6 V, případně 3,7 V (USA), v případě baterií s vícesériově zapojenýmičlánky pak jeho násobky (7,2 - 10,8 - 14,4 - 18 V), ale může se lišit podle konkrétního typu článku. Skutečnévýstupní napětízáleží na typu článku a může se pohybovat až mezi 2,5 – 4,2 V (vybitý – nabitý článek).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.
Recyklacelithiových článkůa akumulátorů dosahuje zatím globálně pouze 1 %.Naopak recyklaceolověných akumulátorů, které jsou zatím nejrozšířenějšímakumulátoremna světě, dosahuje v USA až 99 % a představují takcirkulární ekonomiku.
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).
V tomto článku byl použitpřekladtextu z článkuLithium-ion batteryna anglické Wikipedii.