Akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion)

Akumulatory litowo-jonowe

Akumulator litowo-jonowy to zaawansowany rodzaj baterii, który przechowuje energię poprzez przenoszenie jonów litu między dwiema elektrodami przez elektrolit. Istnieje przynajmniej kilka rodzajów akumulatorów litowo-jonowych. Każdy typ oferuje różne właściwości, takie jak gęstość energii, trwałość i bezpieczeństwo, co pozwala dostosować akumulator do specyficznych potrzeb aplikacji, od telefonów komórkowych po samochody elektryczne.

Rodzaje akumulatorów litowo-jonowych

• NMC – akumulatory niklowo-manganowo-kobaltowe, a więc urządzenia których elektrody dodatnie zbudowane są z mieszaniny jonów niklu, manganu oraz kobaltu, a elektrody ujemne z grafitu (odmiany węgla). Charakteryzuje je bardzo wysoka gęstość energii, co sprawia, że często znajdują zastosowanie w elektromobilności;
• NCA – akumulatory niklowo-kobaltowo-glinowe, a więc urządzenia, na których katody składają się właśnie te pierwiastki w różnych proporcjach. Wydajność prądowa tych ogniw jest stosunkowo niewielka, jednak ich zaletą jest możliwość długiego przechowywania baterii bez utraty pojemności. Baterie NCA stosowane są między innymi w samochodach marki Tesla;
• LCO – akumulatory litowo-kobaltowe pojawiły się na rynku jako pierwsze z katodami zbudowanymi z tlenku metalu (w tym przypadku kobaltu) i były cenione za duże możliwości w zakresie pojemności. Niestety ich żywotność czy wydajność prądowa nie należą do rewelacyjnych, dlatego baterie tego typu znajdują najczęściej zastosowanie w niewielkiej elektronice użytkowej;
• LMO – akumulatory litowo-manganowe wyposażone są w ogniwa z katodami wykonanymi z tlenku manganu. Charakteryzują się one dużą wydajnością prądową i zdolnością do szybkiego ładowania i rozładowywania oraz względną stabilnością termiczną, co podnosi bezpieczeństwo ich użytkowania. Niewątpliwą wadą tej technologii jest niestety stosunkowo niska ilość cykli ładowania (300-500);
• LFP – akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe, których wzór chemiczny to LiFePO4. Jedną z ich wielu zalet są niewielkie wymiary i waga w stosunku do pojemności, jaką mogą zaoferować. Wykazują efektywność w różnych temperaturach i mogą pracować w stanie częściowego rozładowania, co nie wpływa na ich ogólną żywotność. Charakteryzują się zredukowanym współczynnikiem samorozładowania, dzięki czemu straty w magazynie energii są niewielkie.

Czym się charakteryzują akumulatory (baterie) litowo-jonowe?

Oto kilka najważniejszych cech baterii litowo-jonowych:

• niewielkie wymiary i waga w stosunku do pojemności urządzenia, co decyduje o ich wszechstronnym zastosowaniu (szacunkowo 3 razy większa pojemność przy tej samej wielkości akumulatora wykonanego w innej technologii);
• brak “efektu pamięci” oraz “efektu leniwej baterii”, co pozwala korzystać ze stałej pojemności urządzenia i doładowywać je według potrzeby bez obawy o obniżenie napięcia;
• duża gęstość energii w akumulatorze;
• zminimalizowany negatywny wpływ produkcji i utylizacji ogniw na środowisko naturalne (brak metali ciężkich);
• możliwość poddania ogniw recyklingowi i ponownego ich wykorzystania (np. magazyny energii z baterii samochodowych);
• zdecydowanie mniejsza skłonność do samorozładowywania się w porównaniu do innych technologii akumulatorowych;
• długa żywotność ogniw - do kilku tysięcy cykli ładowania i rozładowywania;
• szybkie ładowanie i sprawne oddawanie energii;
• stosunkowo duża odporność na warunki atmosferyczne oraz wysokie i niskie temperatury.

Budowa i działanie baterii litowo-jonowej

Akumulator litowo-jonowy przechowuje energię elektryczną za pomocą procesu chemicznego. Na dołączonej grafice widać, jak ten proces wygląda w uproszczeniu.

Zasada działania akumulatora litowo-jonowego; Źródło: Computerworld.pl

Mamy dwie elektrody - katodę (na lewo, zwykle z tlenku litu i innego metalu) i anodę (na prawo, często z węgla). Pomiędzy nimi znajduje się separator, który przepuszcza jony litu, ale nie pozwala na kontakt fizyczny elektrod, co zapobiega zwarciu. Wokół elektrod znajduje się elektrolit, czyli substancja, która pozwala na przemieszczanie się jonów litu między katodą a anodą.

Gdy akumulator się ładuje, jony litu poruszają się od katody do anody i są przechowywane w strukturze anody. W tym czasie elektrony poruszają się przez obwód zewnętrzny (nie pokazany na grafice), co pozwala na magazynowanie energii.

Podczas rozładowywania, jony litu przemieszczają się z powrotem do katody, a elektrony przepływają przez urządzenie, które jest zasilane (np. telefon komórkowy), dostarczając mu energię elektryczną.

Cały czas, zarówno podczas ładowania, jak i rozładowywania, separator zapewnia bezpieczeństwo, uniemożliwiając bezpośredni kontakt między katodą a anodą.

Gdzie wykorzystuje się ogniwa i baterie litowo-jonowe?

Baterie litowo-jonowe można znaleźć można w wielu domowych urządzeniach codziennego użytku, ale i też w rozwiązania z sektora biznesowego i przemysłowego.

Akumulatory Li-Ion wykorzystuje się w:

• elektronice użytkowej - telefony komórkowe, tablety, komputery przenośne, smartwatche i wiele innych urządzeń, które towarzyszą ludziom każdego dnia wyposażonych jest w akumulatory litowo-jonowe;
• elektronarzędziach - choć wiele elektronarzędzi nadal posiada tańsze akumulatory niklowe, to ze względu na zalety baterii litowo-jonowych czołowi producenci tych urządzeń coraz częściej decydują się na wykorzystanie w swoich produktach właśnie tej technologii;
• urządzeniach medycznych - wiele wspomagających zdrowie, a nawet życie człowieka urządzeń zasilanych jest akumulatorami litowo-jonowymi. Należą do nich chociażby pompy infuzyjne, czy rozruszniki serca;
• samochodach (i innych pojazdach) elektrycznych - elektromobilność coraz dynamiczniej wkracza w codzienne życie konsumentów. Zarówno w samochodach elektrycznych czy hybrydowych, a także rowerach z napędem elektrycznym wykorzystuje się litowe akumulatory;
• magazynach energii - wykorzystywane w domach jednorodzinnych, firmach i przedsiębiorstwach magazyny energii najczęściej działają w trybie ciągłym wyznaczonym cyklami ładowania i rozładowywania. Najlepszą zatem technologią, jaką można w ich produkcji zastosować, jest technologia litowo-jonowa, a w szczególności litowo-żelazowo-fosforanowa;
• systemach awaryjnego zasilania typu UPS - akumulatory litowo-jonowe spotkać można także w urządzeń typu UPS, których zadaniem jest podtrzymanie zasilania w przypadku awarii dostaw prądu z sieci. Mniejsze odpowiedniki tych urządzeń, a więc na przykład powerbanki również dysponują akumulatorami Li-Ion.