Akumulator litowo-jonowy

Akumulator litowo-jonowy (Li-Ion)

Akumulator litowo-jonowy to rodzaj akumulatora elektrycznego, w którym jedna elektroda jest zbudowana z porowatego węgla, a druga z tlenków metali. Ciecz, która pełni rolę elektrolitu, zawiera rozpuszczone sole litowe w mieszance organicznych rozpuszczalników lub w postaci ciała stałego. Napięcie, które generuje ten typ akumulatora, wynosi około 3,6 V na ogniwo. Technologia ta umożliwia skumulowanie dwukrotnie większej energii w porównaniu do akumulatorów NiMH o takim samym rozmiarze i wadze. W akumulatorach litowo-jonowych nie występuje efekt pamięci ani efekt leniwej baterii.

Zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych

Dzięki niewielkiej wadze, akumulatory litowo-jonowe znajdują szerokie zastosowanie w różnych urządzeniach elektronicznych. Obecnie najczęściej wykorzystuje się je w laptopach, telefonach komórkowych oraz innych przenośnych urządzeniach.

W ostatnich latach rośnie również zainteresowanie zastosowaniem dużych pakietów akumulatorów litowo-jonowych (o pojemności od 20 do 100 kWh) w pojazdach elektrycznych. Rozwój masowej produkcji elektrycznych samochodów i ciężarówek może znacznie zwiększyć zapotrzebowanie na ogniwa litowo-jonowe. Producenci pojazdów hybrydowych coraz częściej decydują się na ogniwa litowo-jonowe zamiast NiMH.

Akumulatory litowo-jonowe w pojazdach elektrycznych różnią się od tych używanych w sprzęcie elektronicznym, przede wszystkim ze względu na wyższe wymagania dotyczące warunków pracy oraz dłuższej żywotności, która może wynosić nawet 10 lat. Dodatkowo, pakiety akumulatorów w pojazdach są wyposażone w układy chłodzenia i ogrzewania, co zapewnia optymalną temperaturę pracy. Takie ogniwa mogą być również szybko ładowane, osiągając 80% naładowania w ciągu 15-30 minut bez znacznego wpływu na ich żywotność.

Przykładem zastosowania ogniw litowo-jonowych typu 18650 (wysokiej jakości z dodatkowymi zabezpieczeniami) jest sportowy samochód elektryczny Tesla Roadster, który wykorzystuje 6831 takich ogniw. Wiele producentów, takich jak Nissan, planuje jednak w swoich modelach zastosować ogniwa o większej pojemności. Największe pakiety akumulatorów litowo-jonowych (280 kWh) są używane w ciężarówkach i ciągnikach siodłowych firmy Balqon Corporation.

Akumulatory litowo-jonowe są również coraz częściej stosowane jako stacjonarne magazyny energii w odnawialnych źródłach energii, które często cechują się niestabilnością.

Innym, wciąż na etapie eksperymentalnym, zastosowaniem akumulatorów litowo-jonowych jest ich wykorzystanie w lotnictwie.

Wskazówki przedłużające życie akumulatorów Li-ion

W przeciwieństwie do akumulatorów NiCd czy NiMH, akumulatory Li-ion powinny być ładowane często i jak najszybciej po ich rozładowaniu. Jeśli nie są używane przez dłuższy czas, powinny być rozładowane do około 40%, co znacząco wydłuża ich żywotność. Przechowywanie ich w stanie całkowitego rozładowania może prowadzić do ich uszkodzenia.

Akumulatory tego typu nie wymagają formowania, co jest wymagane w przypadku starszych typów akumulatorów.

Warto ograniczyć lub całkowicie unikać funkcji powodujących pełne rozładowanie baterii, które można spotkać w laptopach i telefonach komórkowych z akumulatorami niklowymi.

Akumulator powinien być przechowywany w chłodnym miejscu, ale nie w skrajnych temperaturach. Warunki wysokiej temperatury (np. w nagrzanym samochodzie) przyspieszają proces starzenia akumulatora.

Najlepsza temperatura dla akumulatorów litowo-jonowych to zakres od 10 °C do 25 °C. Ładowanie w ekstremalnych temperaturach (poniżej 5 °C lub powyżej 30 °C) może prowadzić do uszkodzenia ogniw, utraty gwarancji, a nawet pożaru.

Zagrożenia

Akumulatory Li-ion mogą zapalić się, wybuchnąć lub rozszczelnić (co prowadzi do wycieku elektrolitu) w przypadku nagrzania do zbyt wysokiej temperatury. Należy unikać przechowywania ich w samochodzie w upalne i słoneczne dni. Zwarcie akumulatora może spowodować zapłon lub eksplozję, dlatego nie należy ich otwierać. Akumulatory te zawierają zabezpieczenia, których uszkodzenie może prowadzić do podobnych konsekwencji. Ładowanie uszkodzonego akumulatora jest bardzo niebezpieczne, ponieważ podczas ładowania ogniwo się nagrzewa, co może doprowadzić do wybuchu.

Ładowanie

Akumulatory litowo-jonowe nie tolerują przeładowania, nadmiernego rozładowania ani przegrzania, co stawia przed ładowarkami akumulatorów wysokie wymagania. Akumulatory z katodą wykonaną z kobaltu, niklu, manganu i glinu zazwyczaj ładowane są do 4,20 V na ogniwo, z tolerancją +/- 50 mV. Niektóre odmiany niklu ładowane są do 4,10 V na ogniwo, a niektórzy producenci dopuszczają 4,30 V i więcej. Aby uniknąć przekroczenia maksymalnego napięcia i przegrzania ogniwa, standardowo stosuje się dwuetapowe ładowanie:

• (CC) ładowanie prądem stałym do momentu osiągnięcia zalecanego napięcia, zazwyczaj 4,20 V. Zalecany prąd ładowania wynosi od 0,5 C do 1 C, co skutkuje czasem ładowania wynoszącym około 2-3 godzin. Producenci zalecają ładowanie z prądem do 0,8 C dla wydłużenia żywotności baterii.
• (CV) utrzymanie stałego napięcia 4,20 V, aż prąd spadnie poniżej określonego poziomu (3-5% C), zazwyczaj do 50 mA lub 55 mA (dla niektórych typów ogniw Li-ion o napięciu znamionowym 3,70 V napięcie ładowania wynosi 4,10 V na ogniwo).

Nie należy rozładowywać ogniw Li-ion poniżej 2,75 V do 3 V na ogniwo.

Sprawność

Akumulatory Li-ion charakteryzują się wysoką sprawnością ładowania, czyli stosunkiem energii oddanej podczas pracy do energii włożonej w procesie ładowania. Wczesne wersje ogniw miały sprawność na poziomie 80-90%, podczas gdy nowsze osiągają około 94% przy prądzie ładowania i rozładowania równym 0,5 C. Wartości pomiarowe wskazują na możliwość przekroczenia 99% sprawności przy niższych prądach, kiedy ogniwo pozostaje chłodne podczas ładowania i rozładowania.

Elektrolit

W roli elektrolitu cieczy wykorzystuje się siarczan litu Li2SO4, heksafluorofosforan litu LiPF6 lub nadchloran litu LiClO4, rozpuszczone w mieszance różnych węglanów, takich jak węglan etylenu (EC), węglan dimetylu (DMC), węglan dietylu (DEC), węglan propylenu (PC) czy węglan etylu metylu (EMC). W 2004 roku zaproponowano stosowanie złożonego fosforanu Li1+xAxM2−x(PO4)3 (gdzie A = Al, Sc, Y, M = Ti, Ge) jako stałego elektrolitu, co jest możliwe dzięki jego odporności na wodę w warunkach pracy ogniwa.

Elektrody stosowane komercyjnie

Wzrost zapotrzebowania na akumulatory skłonił sprzedawców i naukowców do większej uwagi na poprawę gęstości energii, temperatury pracy, bezpieczeństwa, trwałości, czasu ładowania, mocy wyjściowej oraz kosztów stosowania litu w akumulatorach typu Li-ion.

Elektroda dodatnia

Elektroda ujemna

Koszty akumulatorów i ich fluktuacje

W momencie wprowadzenia do komercyjnego użytku (połowa lat 90. XX wieku) akumulatory litowo-jonowe kosztowały około 3000 dolarów za kWh. W 2015 roku ich cena wynosiła około 190 dolarów za kWh. Koszt litu stanowi mniej niż 1% całkowitych kosztów produkcji akumulatora.

Recykling

W związku z tym, że produkcja akumulatorów litowo-jonowych wiąże się z wykorzystaniem wielu cennych surowców, takich jak kobalt czy nikiel, opracowano różne metody ich odzysku. Proces recyklingu akumulatorów litowo-jonowych zaczyna się od demontażu na pojedyncze ogniwa, które następnie są rozdrabniane. Dalsza obróbka może obejmować separację magnetyczną lub oczyszczanie ultradźwiękami, a następnie proces chemiczny, który składa się z etapu pirometalurgicznego, gdzie powstaje stop oraz żużel. Na końcu przeprowadza się proces hydrometalurgiczny, który obejmuje ługowanie kwasem lub rzadziej bioługowanie.

W Hoboken w Belgii znajduje się jedna z największych instalacji zajmujących się recyklingiem akumulatorów litowo-jonowych, która ma zdolność przetwarzania aż 7000 ton akumulatorów rocznie, co stanowi znaczną ilość surowca ponownie wprowadzanego na rynek.

Przypisy