Μπαταρία λιθίου

Η μπαταρία ή συσσωρευτής λιθίου είναι  πρωτογενής  ηλεκτρικός συσσωρευτής που έχει λίθιο ως άνοδο. Αυτοί οι τύποι μπαταριών αναφέρονται επίσης ως μπαταρίες μεταλλικού λιθίου.

Ξεχωρίζουν από τις άλλες μπαταρίες λόγω της υψηλής πυκνότητας φορτίου (μεγάλη διάρκεια ζωής) και του υψηλού κόστους ανά μονάδα. Ανάλογα με τον σχεδιασμό και τις χρησιμοποιούμενες χημικές ενώσεις, τα στοιχεία λιθίου μπορούν να παραγάγουν τάσεις από 1,5 V (παρόμοια με μπαταρίες ψευδαργύρου-άνθρακα ή αλκαλικές μπαταρίες) μέχρι περίπου 3,7 V.

Οι πρωτογενείς μπαταρίες λιθίου μιας χρήσης πρέπει να διακρίνονται από τις δευτερογενείς μπαταρίες ιόντων λιθίου και τις μπαταρίες λιθίου-πολυμερούς, που είναι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Το λίθιο είναι ιδιαίτερα χρήσιμο, επειδή τα ιόντα του μπορούν να διαταχθούν ώστε να μετακινηθούν μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, χρησιμοποιώντας παρεμβαλόμενη ένωση λιθίου ως υλικό καθόδου, αλλά χωρίς τη χρήση μεταλλικού λιθίου ως υλικού ανόδου. Το καθαρό λίθιο θα αντιδράσει στιγμιαία με το νερό, ή ακόμα και με την υγρασία του αέρα· το λίθιο σε αυτές τις μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι σε λιγότερο δραστική ένωση. Κακή μεταχείριση κατά τη διάρκεια της φόρτισης ή της εκφόρτισης μπορεί να προκαλέσει εξαέρωση  κάποιων από τα συστατικά τους, που μπορεί να προκαλέσει εκρήξεις ή φωτιά. 

Οι μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούνται πλατιά σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές πλατιάς κατανάλωσης, αλλά και σε ηλεκτρικά οχήματα από τηλεχειριζόμενα ηλεκτρικά παιχνίδια μέχρι οχήματα πλήρους μεγέθους.

Περιγραφή 
Ο όρος μπαταρία λιθίου αναφέρεται σε μια οικογένεια από μεταλλικό λίθιο με διαφορετικές χημικές ιδιότητες, περιλαμβάνοντας πολλούς τύπους καθόδων και ηλεκτρολυτών, αλλά όλες οι μπαταρίες έχουν μεταλλικό λίθιο ως άνοδο. Η μπαταρία χρειάζεται από 0,15 μέχρι 0,3 kg λιθίου ανά kWh.

Ο πιο συνηθισμένος τύπος στοιχείου λιθίου που χρησιμοποιείται σε καταναλωτικές εφαρμογές χρησιμοποιεί μεταλλικό λίθιο ως άνοδο και διοξείδιο μαγνησίου ως κάθοδο, με άλας διαλυμένου λιθίου σε οργανικό διαλύτη.

Ένας άλλος τύπος στοιχείου λιθίου που έχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα είναι το στοιχείο χλωριούχου θειονυλίου-λιθίου. Εφευρέθηκε από τον Adam Heller το 1973, οι μπαταρίες λιθίου-χλωριούχου θειονυλίου δεν πωλούνται γενικά στην καταναλωτική αγορά, αλλά βρίσκονται περισσότερο σε χρήση σε εμπορικές/βιομηχανικές εφαρμογές: αυτόματη ανάγνωση μετρητή (AMR) και σε ιατρικές εφαρμογές: αυτόματοι εξωτερικοί απινιδωτές (AEDs). Η παρακάτω χημεία του ηλεκτρολύτη δεν είναι επαναφορτίσιμη. Το στοιχείο περιέχει υγρό μείγμα από θειονυλοχλωρίδιο (SOCl2), τετραχλωροαργιλικό λίθιο (lithium tetrachloroaluminate) () και πενταχλωριούχο νιόβιο (niobium pentachloride) () που δρα ως καθολύτης (ηλεκτρολυτικό διάλυμα της καθόδου)(catholyte), ηλεκτρολύτης και δεξαμενή ηλεκτρονίων, καθώς και ως προληπτικός δενδρίτης κατά την κατάσταση της αντίστροφης τάσης και ηλεκτρολύτης, αντίστοιχα. Πορώδες υλικό από άνθρακα χρησιμεύει ως συλλέκτης καθοδικού ρεύματος που δέχεται ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα. Οι μπαταρίες λιθίου-θειονυλοχλωριδίου προσαρμόζονται καλά σε εφαρμογές εξαιρετικά χαμηλού ρεύματος ή μέτριων παλμών όπου είναι απαραίτητη διάρκεια ζωής μέχρι 40 έτη.

Χημεία 

Ο υγρός οργανικός ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα ανόργανης ένωσης λιθίου που σχηματίζει ιόντα σε μείγμα διαλύτη (ανθρακικού προπυλενίου) υψηλής επιτρεπτότητας (διηλεκτρικότητας) και διαλύτη (διμεθοξυαιθανίου) χαμηλού ιξώδους.

Εφαρμογές
Οι μπαταρίες λιθίου βρίσκουν εφαρμογή σε πολλές κρίσιμες συσκευές με μεγάλη διάρκεια ζωής, όπως βηματοδότες και άλλες εμφυτεύσιμες ηλεκτρονικές ιατρικές συσκευές. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν ειδικές μπαταρίες λιθίου-ιωδιδίου που είναι σχεδιασμένες να κρατήσουν 15 ή περισσότερα χρόνια. Αλλά για άλλες, λιγότερο κρίσιμες συσκευές όπως στα παιχνίδια, οι μπαταρίες λιθίου μπορεί στην πραγματικότητα να διαρκέσουν περισσότερο από τη συσκευή. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι ακριβές μπαταρίες λιθίου δεν συμφέρουν.

Οι μπαταρίες λιθίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντί για τα συνηθισμένα αλκαλικά στοιχεία σε πολλές συσκευές όπως σε ρολόγια και φωτογραφικές μηχανές. Αν και είναι πιο ακριβές, τα στοιχεία λιθίου παρέχουν πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, ελαχιστοποιώντας συνεπώς την αντικατάσταση της μπαταρίας. Όμως, θα πρέπει να δοθεί προσοχή στην πιο υψηλή τάση που αναπτύσσεται από τα στοιχεία λιθίου πριν να χρησιμοποιηθούν ως προσωρινοί αντικαταστάτες σε συσκευές που κανονικά χρησιμοποιούν κανονικά στοιχεία ψευδαργύρου.

Οι μπαταρίες λιθίου αποδεικνύονται επίσης πολύτιμες σε ωκεανογραφικές εφαρμογές. Αν και οι συστοιχίες μπαταριών λιθίου είναι σημαντικά πιο ακριβές από τις τυπικές ωκεανογραφικές συστοιχίες, κρατάνε μέχρι τρεις φορές πιο πολύ από τις αλκαλικές συστοιχίες. Το υψηλό κόστος εξυπηρέτησης απομακρυσμένου ωκεανογραφικού εξοπλισμού (συνήθως με πλοία) δικαιολογεί συχνά το πιο υψηλό κόστος.

Μεγέθη και μορφές
Μικρές μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούνται συχνά σε μικρές, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, όπως υπολογιστές τσέπης (PDAs), ρολόγια, φορητές κάμερες, ψηφιακές κάμερες, θερμόμετρα, αριθμομηχανές, BIOS προσωπικών υπολογιστών (υλικολογισμικό), εξοπλισμό επικοινωνιών και απομακρυσμένο κλείδωμα οχημάτων. Είναι διαθέσιμες σε πολλά σχήματα και μεγέθη, με μια συνηθισμένη ποικιλία να είναι ο τύπος "νομίσματος" 3 V μαγνησίου, συνήθως 20 mm σε διάμετρο και πάχος 1,6–4 mm.
 
Οι υψηλές ηλεκτρικές απαιτήσεις πολλών τέτοιων συσκευών καθιστούν τις μπαταρίες λιθίου μια ιδιαίτερα ελκυστική επιλογή. Ειδικότερα, οι μπαταρίες λιθίου μπορούν να υποστηρίξουν εύκολα τις σύντομες, με υψηλές απαιτήσεις ρεύματος συσκευές όπως ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και μπορούν να συντηρήσουν πιο υψηλή τάση για μεγαλύτερη περίοδο από τα αλκαλικά στοιχεία.

Δημοφιλία
Οι πρωτογενείς μπαταρίες λιθίου αφορούν το 28% όλων των πωλήσεων πρωτογενών μπαταριών στην Ιαπωνία, αλλά μόνο το 1% από όλες τις μπαταρίες στην Ελβετία. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση μόνο το 0,5% από όλες τις πωλήσεις μπαταριών συμπεριλαμβανομένων των δευτεροταγών τύπων είναι πρωτογενή στοιχεία λιθίου.

Θέματα ασφάλειας και κανονισμοί
Η τάση της βιομηχανίας υπολογιστών να αυξήσει τη χωρητικότητα των μπαταριών μπορεί να δοκιμάσει τα όρια ευαίσθητων συστατικών όπως ο διαχωριστής μεμβράνης, ένα υμένιο πολυαιθυλενίου ή πολυπροπυλενίου που έχει πάχος μόνο 20-25 µm. Η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών λιθίου έχει υπερδιπλασιαστεί από την εισαγωγή τους το 1991. Όταν η μπαταρία έχει κατασκευαστεί να περιέχει περισσότερο υλικό, ο διαχωριστής μπορεί να υφίσταται πίεση.

Προβλήματα ταχείας εκφόρτισης
Οι μπαταρίες λιθίου μπορεί να παρέχουν πολύ υψηλά ρεύματα και μπορούν να εκφορτίζονται πολύ γρήγορα όταν βραχυκυκλωθούν. Αν και αυτό είναι χρήσιμο σε εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλά ρεύματα, μια υπερβολικά γρήγορη εκφόρτιση των μπαταριών λιθίου μπορεί να καταλήξει σε υπερθέρμανση της μπαταρίας, ρήξη και ακόμα σε έκρηξη. Οι μπαταρίες λιθίου-θειονυλοχλωριδίου είναι ιδιαίτερα επιρρεπείς σε αυτόν τον τύπο εκφόρτισης. Οι μπαταρίες συνήθως ενσωματώνουν προστασία υπερέντασης ή θερμική προστασία ή διεξόδους για να αποτραπεί έκρηξη.

Αεροπορικά ταξίδια
Από την 1 Ιανουαρίου 2013, εισάχθηκαν πολύ πιο αυστηροί κανονισμοί από την IATA όσον αφορά τη μεταφορά μπαταριών λιθίου αεροπορικά και υιοθετήθηκαν από τη Διεθνή Ταχυδρομική Ένωση· όμως, κάποιες χώρες, π. χ. το Ενωμένο Βασίλειο, έχουν αποφασίσει ότι δεν θα δεχθούν μπαταρίες λιθίου εκτός και συμπεριλαμβάνονται στον εξοπλισμό που τροφοδοτούν.

Λόγω των παραπάνω κινδύνων, η αποστολή και μεταφορά των μπαταριών λιθίου περιορίζεται σε κάποιες περιπτώσεις, ιδιαίτερα στην μεταφορά μπαταριών λιθίου αεροπορικώς.

Η Υπηρεσία Ασφαλείας Μεταφορών των ΗΠΑ ανακοίνωσε περιορισμούς από 1 Ιανουαρίου 2008 για τις μπαταρίες λιθίου στον έλεγχο και στις χειραποσκευές. Οι κανονισμοί αποκλείουν τις μπαταρίες λιθίου που δεν είναι εγκατεστημένες σε συσκευές από τις ελεγμένες αποσκευές και τις περιορίζουν στις χειροαποσκευές από το συνολικό περιεχόμενο του λιθίου.

Το Αυστραλιανό Ταχυδρομείο απαγόρευσε τη μεταφορά μπαταριών λιθίου με αεροπορικό ταχυδρομείο κατά τη διάρκεια του 2010.

Οι κανονισμοί στο Ενωμένο Βασίλειο για τη μεταφορά μπαταριών λιθίου τροποποιήθηκαν από το National Chemical Emergency Centre το 2009.

Προς το τέλος του 2009, κάποιες τουλάχιστον ταχυδρομικές διευθύνσεις περιόριζαν την αεροπορική μεταφορά (συμπεριλαμβανόμενης της Express Mail Service) μπαταριών λιθίου, μπαταριών ιόντων λιθίου και προϊόντων που τις περιέχουν (όπως φορητοί υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα). Μεταξύ αυτών των χωρών είναι το Χονγκ Κονγκ, οι ΗΠΑ και η Ιαπωνία.

Εργαστήρια μεθαμφεταμίνης
Μη χρησιμοποιημένες μπαταρίες λιθίου παρέχουν μια βολική πηγή μεταλλικού λιθίου για χρήση ως αναγωγικού μέσου σε εργαστήρια μεθαμφεταμίνης. Κάποιες περιοχές έχουν περάσει νόμους περιορισμού των πωλήσεων μπαταριών λιθίου ή έχουν ζητήσει από τις επιχειρήσεις να κάνουν εθελοντικούς περιορισμούς σε μια προσπάθεια να βοηθήσουν στην καταπολέμηση της δημιουργίας παράνομων εργαστηρίων μεθαμφεταμίνης. Το 2004 τα καταστήματα Wal-Mart ανέφεραν τον περιορισμό της πώλησης απλών μπαταριών λιθίου σε τρία πακέτα στο Μισούρι και τέσσερα πακέτα στις άλλες πολιτείες.

Θέματα υγείας κατά την κατάποση
Οι μπαταρίες-κουμπιά είναι ελκυστικές σε μικρά παιδιά και συχνά καταπίνονται. Τα περασμένα 20 χρόνια, αν και δεν υπήρξε αύξηση στον συνολικό αριθμό των μπαταριών στοιχείων κουμπιού που κατάπιαν παιδιά τον χρόνο, ερευνητές σημείωσαν μια αύξηση 6,7 φορών στον κίνδυνο που η κατάποση μπορεί να καταλήξει σε μέτρια ή μεγάλη επιπλοκή.

Ο κύριος μηχανισμός τραυματισμού με καταπόσεις μπαταριών-κουμπιών είναι η δημιουργία ιόντων υδροξειδίου, που προκαλούν σοβαρά χημικά εγκαύματα, στην άνοδο. Αυτό είναι ηλεκτροχημικό φαινόμενο της άθικτης μπαταρίας και δεν απαιτούν την παραβίαση του περιβλήματος ή την ελευθέρωση του περιεχομένου της μπαταρίας. Οι επιπλοκές περιλαμβάνουν οισοφαγικές στενώσεις, τραχειοοισοφαγικά συρίγγια, παράλυση φωνητικών χορδών, αορτοοισοφαγικά φυσίγγια και θάνατο. Η πλειοψηφία των καταπόσεων δεν γίνεται με μάρτυρες· οι προβολές δεν είναι ειδικές· η τάση των μπαταριών έχει αυξηθεί·οι μπαταρίες-κουμπιά μεγέθους 20 έως 25 mm είναι πιο πιθανό να να φρακάρουν στην κρικοφαρυγγική ένωση και μπορεί να συμβεί σημαντική βλάβη ιστών μέσα σε 2 ώρες. Οι μπαταρίες λιθίου 3 V, 20 mm CR2032 έχουν εμπλακεί σε πολλές από τις επιπλοκές από τις καταπόσεις μπαταριών-κουμπιών από παιδιά ηλικίας μικρότερης των 4 ετών.
Οι μπαταρίες-κουμπιά μπορεί επίσης να προκαλέσουν σημαντικό νεκρωτικό τραύμα όταν κολλήσουν στη μύτη ή τα αφτιά.

Διάθεση
Οι κανονισμοί για τη διάθεση και ανακύκλωση των μπαταριών ποικίλλουν πολύ· οι τοπικές κυβερνήσεις μπορεί να έχουν πρόσθετες απαιτήσεις συγκριτικά με τις απαιτήσεις των εθνικών κανονισμών. Στις ΗΠΑ, ένας κατασκευαστής πρωτογενών μπαταριών λιθίου-διθειούχου σιδήρου συμβουλεύει τα χρησιμοποιημένα στοιχεία να απορρίπτονται στα αστικά απόβλητα, επειδή η μπαταρία δεν περιέχει ουσίες που ελέγχονται από τους ομοσπονδιακούς κανονισμούς των ΗΠΑ. Ένας άλλος κατασκευαστής δηλώνει ότι οι μπαταρίες λιθίου μεγέθους "κουμπιού" περιέχει υπερχλωρικά, που θεωρούνται ως επικίνδυνα απόβλητα στην Καλιφόρνια· σχετικές ποσότητες δεν βρίσκονται στην τυπική χρήση καταναλωτών αυτών των στοιχείων.

Επειδή το λίθιο σε εξαντλημένα αλλά εκτός λειτουργίας (δηλαδή, παρατεταμένη αποθήκευση) στοιχεία-κουμπιά είναι ακόμα πιθανό να είναι στο κάλυμμα της καθόδου, είναι εφικτή η εξαγωγή εμπορικά χρήσιμων ποσοτήτων μετάλλου από τέτοια στοιχεία καθώς και διοξειδίου του μαγνησίου και ειδικών πλαστικών. Πειραματικά, η συνηθισμένη κατάσταση αστοχίας είναι ότι μπορεί να δείχνουν 3,2V ή παραπάνω, αλλά δεν μπορούν να δημιουργήσουν χρήσιμο ρεύμα (μικρότερο από 5mA έναντι μεγαλύτερου των 40mA για καλό νέο στοιχείο)
Μπορούν επίσης να συλλεχθούν κάποια κράματα λιθίου με μαγνήσιο (Mg) ώστε να περικοπούν τα κόστη και αυτά είναι ιδιαίτερα επιρρεπή στην αναφερόμενη κατάσταση αστοχίας.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 The 2009 amendments to the regulations regarding transport of Lithium Batteries
 Lithium Iron Phosphate Battery information
 Properties of non-rechargeable lithium batteries
 Brand Neutral Drawings of Lithium Batteries based on ANSI Specifications
 Lithium Thionyl Chloride Battery MSDS and supporting safety information
 Investigation of the fire performance of lithium-ion- and lithium-metal-batteries in various applications and derivative of tactical recommendations (Research Report in German, Forschungsstelle für Brandschutztechnik, Karlsruhe Institute of Technology - KIT) (PDF)
China's Lithium-ion Battery Market: Drivers behind it and its sustainability

Συσσωρευτές
Λίθιο
Αποθήκευση ενέργειας
Ηλεκτροχημεία