Akumulatory litowo-jonowe znikną z rynku? Co je zastąpi?

4.67 /5
(Ocen: 9)

Baterie litowo-jonowe obecne są w wielu urządzeniach elektronicznych i każdego dnia z ich właściwości korzystają miliony ludzi na całym świecie. Także w kategorii magazynów energii to właśnie ta technologia zagościła na dobre, a lit stał się składową większości ogniw akumulatorowych dostępnych obecnie na rynku. Czym charakteryzują się baterie litowo-jonowe? Dlaczego są tak popularne? Jakie alternatywy dla tego typu akumulatorów pojawiają się w świecie technologicznym i czy mają one szansę sprawić, że inna metoda produkcji baterii stanie się bardziej popularna?

Sprawdź bezpłatnie oferty na magazyn energii

Technologie produkcji akumulatorów – jakie wyróżniamy?

Pierwszy akumulator, który charakteryzował się w odróżnieniu od baterii Alessandro Volty tym, że można było go naładować ponownie, powstał w 1859 roku. Jego twórcą był pochodzący z Francji Gaston Planté, który dwa fragmenty folii ołowianej oddzielił warstwą filcu (flaneli) i po ich zwinięciu zanurzył je w kwasie. Przeprowadzone badania i eksperymenty pozwoliły naukowcowi opracować prototyp urządzenia, które po oddaniu zgromadzonej energii udało się ponownie naładować. Były to początki akumulatorów ołowiowych. Kolejne osiągnięcia na tym polu należą do szwedzkiego badacza Waldemara Jungnera, który w 1899 roku opracował akumulator niklowo-kadmowy (Ni-Cd) wykorzystywany przez wiele kolejnych lat w elektronice użytkowej. Pięć lat później, bo w 1904 roku po tysiącach przeprowadzonych eksperymentów, Thomas A. Edison stworzył z kolei akumulator żelazowo-niklowy, którym niestety nie zainteresował się w znaczącym stopniu świat techniki.

Akumulator elektryczny nazywany inaczej ogniwem wtórnym, charakteryzuje się zdolnością do wielokrotnego ładowania i oddawania energii elektrycznej. Jest to cecha odróżniająca ten typ urządzeń od ogniw pierwotnych, które są zdolne jedynie do jednokrotnego oddania zgromadzonej w nich energii. W akumulatorze elektrycznym zachodzą reakcje chemiczne na styku elektrod i elektrolitu oraz w samym elektrolicie.

Obecnie użytkowane akumulatory elektryczne w zależności od przeznaczenia i potrzeb użytkownika wykonywane są w kilku podstawowych technologiach. Należą do nich między innymi:

  • akumulatory kwasowo-ołowiowe – jedna z najbardziej popularnych technologii wykorzystywanych przede wszystkim do zasilania układów elektrycznych w pojazdach. Ich konstrukcja opiera się na tzw. celach, których każdy akumulator typu kwasowo-ołowiowego posiada zwykle od 3 do 6 (napięcie 6 lub 12 V). Do zalet tych akumulatorów z pewnością należy zdolność uwolnienia jednorazowo dużego ładunku elektrycznego, jednak spore ograniczenie stanowi w ich przypadku waga i rozmiar urządzenia w stosunku do oferowanej przez nie pojemności. Popularnym obecnie rodzajem akumulatorów kwasowo-ołowiowych, są akumulatory AGM. Co je wyróżnia? Elektrolit zawarty w tych urządzeniach został zamknięty w szklanych matach, co usuwa jedną z większych wad tego typu akumulatorów, jaką jest ryzyko wycieku elektrolitu w momencie uszkodzenia urządzenia.
  • akumulatory żelowe – to zdecydowanie bardziej żywotna i wydajna alternatywa dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Elektrolit (kwas siarkowy) w tych urządzeniach ma postać żelu, co zapobiega powstawaniu ubytków elektrycznych, a także minimalizuje zjawisko samorozładowania się, które w określonym stopniu wykazują właściwie wszystkie akumulatory. Akumulatory żelowe są droższe od kwasowo-ołowiowych, jednak oferują tym samym większe bezpieczeństwo użytkowania oraz odporność na trudne warunki atmosferyczne.
  • akumulatory litowo-jonowe – urządzenia wykonywane w tej technologii na dobre zagościły w świecie elektroniki użytkowej, nie omijając w tym względzie także magazynów energii. Lit to najlżejszy z pierwiastków, a jego najbardziej pożądaną cechą w kontekście akumulatorów, jest łatwość oddawania elektronów. Ogniwa w akumulatorach tego typu odznaczają się znamionowym napięciem rzędu 3,7 V.
  • akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (nanofosfatowe) – jedna z najnowszych technologii akumulatorowych gwarantująca świetne parametry w przypadku użytkowania urządzenia w trybie ciągłym. Producenci magazynów energii coraz chętniej korzystają z możliwości tej technologii, a więc bardzo dużej gęstości energii, mocy oraz żywotności oferującej nawet 6 000 – 8 000 cykli ładowania.

Zastosowanie znajdują wciąż także:

  • akumulatory niklowo-kadmowe -charakteryzują się wysoką odpornością na głębokie rozładowywania, jednak wykazują przy tym skłonność do zmniejszania swojej pojemności przez tzw. “efekt pamięci”. Tania technologia, jednak coraz rzadziej stosowana.
  • akumulatory niklowo-wodorkowe – akumulatory te w przeciwieństwie do niklowo-kadmowych nie wykazują “efektu pamięci”, jednak trzeba wiedzieć, że podczas doładowywania mogą podawać niższe napięcie.

Czym się charakteryzują akumulatory litowo-jonowe?

Pierwsza bateria litowo-jonowa trafiła do produkcji w 1991 roku, jednak fakt ten poprzedziły lata badań i eksperymentów nad tą technologią. Odkryto wówczas między innymi, że pomiędzy litem a elektrolitem powstaje warstwa pasywna, która uniemożliwia reakcję między nimi jednocześnie przepuszczając jednak jony. Kolejne badania doprowadziły do opracowania baterii litowo-jonowej jaką znamy dziś, a więc składającej się z elektrod z różnych materiałów. Co jednak charakteryzuje akumulatory litowo jonowe i sprawia, że są one tak popularne? Przede wszystkim są to takie cechy jak:

  • 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.

 

Zasada działania akumulatora litowo-jonowego

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

Wobec wszystkich wymienionych zalet ogniw litowo-jonowych trzeba pamiętać także o ich ograniczeniach. Do najważniejszych należy konieczność sprawowania kontroli nad przeładowaniem lub zbyt głębokim rozładowaniem akumulatora (w magazynach energii pomaga dedykowany system BMS, który monitoruje jego pracę). Technologia ta jest również droższa niż pozostałe, co wpływa między innymi na wysokie ceny magazynów energii.

Gdzie wykorzystuje się ogniwa litowo-jonowe?

Biorąc pod uwagę fakt mnogości zastosowań akumulatorów litowo-jonowych w dzisiejszym świecie, ciężko wyobrazić sobie aby miała je zastąpić inna technologia. Baterie wykorzystujące właściwości litu znaleźć można bowiem w wielu urządzeniach codziennego użytku, zarówno w kontekście prywatnym, jak i komercyjnym czy przemysłowym. W tym kontekście warto także wiedzieć, że istnieje przynajmniej kilka rodzajów akumulatorów litowo-jonowych i każdy z nich sprawdza się w określonych zastosowaniach. Są to na przykład:

  • akumulatory litowo-kobaltowe (LCO);
  • akumulatory litowo-niklowo-kobaltowo-glinowe (NCA);
  • akumulatory litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC);
  • akumulatory litowo-manganowe (LMO);
  • akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP).

Sposobów wykorzystania akumulatorów litowo-jonowych jest bardzo dużo. Większość konsumentów może się jednak z nimi spotkać przede wszystkim w przypadku kilku grup produktowych. Mowa tu o:

  • 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;
  • urządzenia medyczne – 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.

Nowe technologie produkcji akumulatorów – co o nich wiadomo?

Akumulatory litowo-jonowe choć tak powszechnie stosowane, nie są urządzeniami doskonałymi. Między innymi z tego względu naukowcy zajmujący się technologiami przechowywania i oddawania energii elektrycznej wciąż pracują nad lepszymi rozwiązaniami w tym obszarze. Kilka tygodni temu świat technologii obiegła informacja o oczekiwaniu na opatentowanie nowych akumulatorów, które mogą posiadać potencjał wyparcia z rynku wszechobecnych baterii litowo-jonowych. Chodzi tu o opracowaną przez pochodzącą ze Stanów Zjednoczonych firmę Alsym Energy technologię, która względem akumulatorów Li-Ion będzie miała dwie znaczące przewagi: niższą o połowę cenę oraz wykluczenie ryzyka przegrzewania się akumulatorów i w konsekwencji ich pożaru.

Co o osiągnięciu amerykańskich badaczy wiadomo do tej pory? Podają oni, że opracowane przez firmę Alsym akumulatory mają posiadać katodę zbudowaną z tlenku manganu oraz anodę wykonaną z innego materiału (tlenku metalu). Ciekawe są też plany dotyczące składu chemicznego elektrolitu, który ma być oparty na wodzie i nie zawierać rozpuszczalników organicznych. W serwisie internetowym firmy można znaleźć wiele informacji na tematy związane z przegrzewaniem się i pożarami ogniw litowo-jonowych, co wydaje się być główną motywacją dla naukowców do opracowania bezpieczniejszej technologii akumulatorowej. Co więcej, nowe urządzenia będą pozbawione takich metali jak lit, kobalt, nikiel, które są drogie w wydobyciu i zależne od problemów występujących w łańcuchach dostaw. Fakt ten ma przyczynić się do istotnego zredukowania cen akumulatorów.

Akumulatory sodowo-jonowe, a może cynkowo-jonowe?

W ostatnich latach trwały także prace naukowców z University of Texas w Austin nad możliwościami zastąpienia litu w akumulatorach tańszym i łatwiej dostępnym sodem. To właśnie w tym pierwiastku upatrują oni przyszłości technologii akumulatorowych. Okazuje się bowiem, że baterie wyposażone w elektrody sodowe mogłyby znacznie szybciej się ładować, a głębokie rozładowanie nie wpływałoby negatywnie na ich sprawność. Przeszkodą w badaniach okazywała się do niedawna “oporność sodu” do uwalniania jonów oraz jego skłonność do tworzenia na elektrodzie tzw. dendrytów obniżających żywotność ogniw. Naukowcy z Teksasu znaleźli rozwiązanie tego problemu wykorzystując tellurek antymonu i dbając o bardzo równomierne rozłożenie sodu w ogniwach. Dzięki temu akumulatory sodowe mogą wykazywać podobną żywotność do litowych i oferować zbliżoną do nich gęstość. Wniosek patentowy dla akumulatorów sodowych został już złożony.

Kolejnym obiecującym w zakresie alternatywy dla akumulatorów litowo jonowych odkryciem mogą być baterie cynkowo-jonowe, nad których udoskonalaniem pracują od lat naukowcy z różnych firm w branży. Przewagą cynku, podobnie jak w przypadku sodu są obniżone koszty produkcji ogniw względem tych opierających się na licie, co było dotychczas bardzo trudne do osiągnięcia. Jak działają zatem akumulatory cynkowo-jonowe? Podobnie jak w przypadku litowo-jonowych kluczowym jest tu zabieg interkalacji czyli dodania jonów do materiału podłoża nie zmieniając jego struktury i dbając o odwracalność procesu. W akumulatorach cynkowo-jonowych jony cynku przemieszczają się w wodnym elektrolicie. W trakcie procesu rozładowywania akumulatora cynk obecny na anodzie jest rozpuszczany w elektrolicie do postaci jonów cynku, które z kolei są absorbowane przez katodę. Akumulatory cynkowo-jonowe mają szansę stać się alternatywą dla litowo-jonowych, gdyż naukowcom udało się osiągnąć podobną gęstość energetyczną, niższe koszty produkcji oraz większe bezpieczeństwo użytkowania.

Magazynowanie energii w stopie aluminium? To możliwe!

W ostatnich dniach zrobiło się głośno o kolejnej alternatywie dla akumulatorów litowo-jonowych, która ma nie tylko gwarantować lepszą wydajność, ale także długoterminowość przechowywania energii elektrycznej oraz cieplnej. Mowa tu o opracowanej przez szwedzką firmę Azelio technologii TES.POD (Thermal Energy Storage – Power on Demand). W tym rozwiązaniu wykorzystuje się energię elektryczną pozyskaną na przykład z instalacji PV do podgrzania stopu aluminium do 600 stopni Celsjusza. Materiał staje się w wyniku tego procesu płynny, by w momencie rozładowywania akumulatora oddać wytworzone w ten sposób ciepło za pośrednictwem płynu HTF do silnika Stirlinga. Napędza on generator energii elektrycznej i cieplnej. Rozwiązanie zaproponowane przez Azelio może znieść największe ograniczenie akumulatorów litowo-jonowych, jakim jest krótkoterminowość przechowywanej przez nie energii. Firma zapewnia także, że jej pojemność jej urządzeń będzie można skalować w szerokim zakresie wartości. Urządzenia szwedzkiego producenta z pewnością mają potencjał rewolucyjny na rynku magazynów energii.

Czy baterie litowo-jonowe znikną z rynku?

Czy wszystkie bądź którakolwiek z opisanych wyższej nowych technologii akumulatorowych ma szansę wyprzeć z rynku akumulatory litowo-jonowe, a przynajmniej osłabić ich pozycję? Celem udzielenia odpowiedzi na to pytanie trzeba między innymi rozważyć kilka podstawowych zagadnień:

  • Jaka jest rzeczywista skala pożarów powodowanych przez baterie litowo-jonowe?
  • Jak bardzo da się zredukować koszty akumulatorów zastępując lit innymi materiałami?
  • Czy producenci akumulatorów litowo-jonowych będą skłonni zmienić swoje procesy produkcyjne (i w jakim czasie)?
  • Czy produkcja ogniw litowo-jonowych będzie nadal taniała?
  • Jak duże będzie zainetersowanie alternatywnymi technologiami akumulatorowymi ze strony konsumentów?
  • Jak bardzo łańcuchy dostaw litu będą wpływały na ograniczenia w produkcji baterii?
  • Czy alternatywne technologie będą w stanie zaoferować takie same, a nawet lepsze parametry działania akumulatorów w porównaniu do baterii litowo-jonowych?

Dążenie do zwiększenia bezpieczeństwa, wydajności, żywotności przy jednoczesnym zredukowaniu kosztów produkcji, to kierunek w którym powinien podążać rynek akumulatorów. Odpowiedzi na przytoczone powyżej pytania mogą przybliżyć nas do oszacowania, czy wypełnianie tych założeń między innymi poprzez wprowadzenie alternatyw dla akumulatorów litowo-jonowych, może okazać się realne. Do postawienia i obronienia konkretnych tez w tym obszarze potrzebny jest jednak czas i skrupulatna obserwacja zmian w świecie technologii akumulatorowych.

Informacje o autorze

Marta Kazimierska

Specjalistka digital marketingu i zagadnień z dziedziny UX oraz SXO, znajdująca się na liście TOP 100 kobiet polskiej branży SEO. Zaangażowana w analizowanie wiedzy przedsiębiorców na temat znaczenia poszczególnych narzędzi marketingowych w osiąganiu sukcesu biznesowego. Szczególnie zainteresowana badaniem poziomu samoświadomości ekonomicznej Polaków. Entuzjastka propagowania rozwiązań z dziedziny energii odnawialnej i dbałości o środowisko naturalne.

Dodaj komentarz
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments