Lithium-iontový akumulátor
typ nabíjecí baterie / From Wikipedia, the free encyclopedia
Lithium-iontový akumulátor nebo Lithium-iontová baterie (zkráceně Li-Ion) je typ dobíjecí baterie, která k ukládání energie využívá vratnou redukci iontů lithia. Zápornou elektrodou běžného článku lithium-iontové baterie je obvykle grafit, forma uhlíku. Tato záporná elektroda se někdy nazývá anoda, protože při vybíjení funguje jako anoda. Kladnou elektrodou je obvykle oxid kovu; kladná elektroda se někdy nazývá katoda, protože během vybíjení funguje jako katoda. Kladná a záporná elektroda zůstávají při běžném používání kladné a záporné, ať už při nabíjení, nebo vybíjení, a proto je používání těchto termínů jasnější než anoda a katoda, které se při nabíjení obracejí.[9]
Specifikace baterie | |
---|---|
3,6 V Li-ion akumulátor z mobilního telefonu Nokia 3310 | |
Energie/hmotnost | 100–265 Wh/kg (0,360–0,954 MJ/kg)[1][2] |
Energie/objem | 250–693 Wh/L (0,90–2,49 MJ/L)[3][4] |
Výkon/hmotnost | asi 250–340 W/kg[1] |
Efektivita nabíjení/vybíjení | 80–90%[5] |
Energie/spotřebitelská cena | 0,35 Wh/Kč (2900 Kč/kWh)[6] |
Samovybíjení | 0,35 % až 2,5 % měsíčně v závislosti na stavu nabití[7] |
Životnost v cyklech | 400–1200 cyklů [8] |
Nominální napětí článku | 3,6 / 3,7 / 3,8 / 3,85 V, LiFePO4 3,2 V, Li4Ti5O12 2,3 V |
Elektrolytem je obvykle lithiová sůl v organickém rozpouštědle.[10][11]
Jedná se o převažující typ baterií používaných v přenosné spotřební elektronice a elektromobilech. Významné využití nachází také v oblasti skladování energie v rozvodných sítích a ve vojenských a leteckých aplikacích. Ve srovnání s jinými technologiemi dobíjecích baterií mají Li-ion baterie vysokou hustotu energie, nízké samovybíjení a nulový paměťový efekt (i když malý paměťový efekt zaznamenaný u LFP baterií byl vysledován u špatně vyrobených článků).[12]
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 také kompozit křemík-uhlík. Články mohou být vyráběny tak, aby upřednostňovaly buď hustotu energie, nebo výkonu.[13] V kapesní elektronice se většinou používají lithium-polymerové baterie (s polymerním gelem jako elektrolytem), spolu s katodou z oxidu lithno-kobaltitého (LiCoO2) a grafitovou anodou, které společně nabízejí vysokou hustotu energie.[14][15] Fosforečnan lithno-železnatý (LiFePO4), lithium-mangan oxidy (spinelid LiMn2O4 nebo vrstvené materiály bohaté na lithium na bázi Li2MnO3, LMR-NMC) a lithium-nikl-mangan-kobalt oxid (LiNiMnCoO2 nebo 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 s obnovitelnou energií) pro snížení emisí skleníkových plynů z vozidel.[16]
Michael Stanley Whittingham objevil 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.[17] John Goodenough tuto metodu v roce 1980 rozšířil a jako katodu použil oxid lithno-kobaltitý.[18] První prototyp moderní lithium-iontové baterie, která místo kovového lithia používá anodu z uhlíku, vyvinul Akira Jošino v roce 1985 a v roce 1991 ji komercializoval tým společností Sony a Asahi Kasei pod vedením Jošio Nišiho.[19]
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,[20] v současné době se vyvíjejí lithium-iontové baterie plně v pevném skupenství, aby se odstranil hořlavý elektrolyt. Nesprávně recyklované baterie 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, například kobalt. 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.[21][22] 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.[23][24][25][26]