náhled|Válcový článek 18650 před uzavřením 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; kladnou elektrodou je obvykle oxid kovu. Elektrolytem je obvykle lithiová sůl v organickém rozpouštědle.Silberberg, M. (2006). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change, 4th Ed. New York (NY): McGraw-Hill Education. p. 935, .

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).

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. 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. 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.

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. John Goodenough tuto metodu v roce 1980 rozšířil a jako katodu použil oxid lithno-kobaltitý. 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.

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,Review: A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standardsElsevier Journal of Energy Chemistry Volume 59, August 2021, Pages 83-99. 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. 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.

Vývoj První experimenty prováděl G. N. Lewis v roce 1912. Návrh proběhl roku 1960, poté byla baterie vyvíjena hlavně v Bellových laboratořích. První prodejní verzi vyrobila firma Sony v roce 1991.

Zásoby lithia se odhadují na pokrytí výroby akumulátorů pro 10 miliard automobilů.http://auto.idnes.cz/lithia-mame-dost-pro-baterky-10-miliard-elektromobilu-je-ale-v-nejistych-zemich-1xb-/automoto.aspx?c=A100826_190836_automoto_vok - Lithia máme dost pro baterky 10 miliard elektromobilů, je ale v nejistých zemích Při odhadovaném počtu automobilůhttp://www.euro.cz/light/pruzkum-pocet-aut-ve-svete-se-do-roku-2040-zdvojnasobi-1287909 - Průzkum: počet aut ve světě se do roku 2040 zdvojnásobí a životnosti akumulátorů nelze očekávat pokrytí spotřeby do konce 21. století, pokud se od poloviny století budou vyrábět pouze elektromobily.http://auto.idnes.cz/zakaz-klasickych-motoru-v-britanii-du5-/automoto.aspx?c=A170726_091754_automoto_fdv - Británie od roku 2040 zakáže prodej benzinových a naftových aut

Technologie Anoda je vyrobena z uhlíku, katoda je oxid kovu a elektrolyt je lithiová sůl v organickém rozpouštědle.

Základní zjednodušená chemická reakce nabíjení a vybíjení:

Nabíjení je endotermická chemická reakce (odebírá z okolí teplo, čímž se okolí ochlazuje), která se však měřitelně projeví jen na počátku nabíjení, poté ji převýší ostatní zdroje generovaného tepla (vlivem procházejícího proudu, resp. pohybu iontů v materiálu). Řídící obvod pro nabíjení pomocí teplotního čidla sleduje vnitřní teplotu a pokud se začne akumulátor přehřívat, dojde k omezení nabíjecího proudu (nebo zastavení nabíjení), aby nedošlo k překročení bezpečné teploty (většinou 45 °C). Vybíjení je exotermická reakce a k zahřívání akumulátoru dochází po celou dobu vybíjecího cyklu. Opět je vhodné sledovat teplotu akumulátoru a případně proudový odběr omezit, aby nedošlo k přehřátí akumulátoru (nad 60 °C), protože vysoká teplota způsobuje zkrácení životnosti nebo až úplnou destrukci akumulátoru. Při stejné rychlosti generuje nabíjení více tepla než vybíjení. alt=Akumulátor BL-5C do mobilu Nokia 1600 dlouho vybitý a nafouklý|náhled|Akumulátor BL-5C do mobilu Nokia 1600 dlouho vybitý a nafouklý Používáním se akumulátor opotřebovává. U konstrukce lithium-iontového akumulátoru je jedním z problémů vylučování látek z anody a růst dendritů z jejího povrchu. Dendrity při růstu vnikají do bariéry oddělující anodu a katodu, což snižuje kapacitu baterie a nakonec může vyvolat zkrat a úplné zničení článku. Tento problém je však menší než u akumulátorů s pevným elektrolytem.

Napětí Jmenovité napětí Li-ion článku dané normami je 3,6 V, případně 3,7 V (USA), v případě baterií s více sériově zapojenými články pak jeho násobky (7,2 – 10,8 – 14,4 – 18 V), ale může se lišit podle konkrétního typu článku. Skutečné výstupní napětí záleží na typu článku a může se pohybovat až mezi 2,5 – 4,2 V (vybitý – nabitý článek). Napětí článku slouží k indikaci míry vybití akumulátoru a řídící obvody zamezují překročení hranic stanovených výrobcem. Překročení hranic zkracuje životnost článku a může ho i zničit. Vlivem samovybíjení může napětí klesnou pod spodní hranici, což také vede k poškození článku, a proto je potřeba články udržovat v přiměřeně nabitém stavu.

Výhody Může být vyrobena v různých tvarech. Velmi vysoká hustota energie – 200 Wh/kg, 530 Wh/l – třikrát vyšší hodnota než starší typy jako Ni-MH. Relativně vysoká kapacita s malým objemem a hmotností. Téměř žádné samovybíjení (do 5 %). Není ji třeba formovat – několikrát nabíjet a vybíjet před prvním použitím. Vysoké nominální napětí: 3,6 V Životnost 500–1200 nabíjecích cyklů.

Nevýhody Baterie stárne, tedy ztrácí maximální kapacitu nehledě na to, jestli je nebo není používána (již od výroby). Rychlost tohoto stárnutí se zvyšuje s vyšší teplotou, vyšším stavem nabití, a vyšším vybíjecím proudem/zatížením.https://techxplore.com/news/2021-12-scientists-batteries-minutes.html - Scientists identify another reason why batteries can't charge in minutes Nebezpečí výbuchu nebo vznícení při nesprávném používání (zkratování, nabíjení na vyšší kapacitu než je baterie schopna pojmout). Vadí jí úplné vybití. Když se dostane pod napětí 2,8 V, je velmi těžké ji znovu „oživit“.

Proto baterie, která je dlouhou dobu ponechána vybitá, může „zemřít“ (sama se vybít pod přípustnou hodnotu). Recyklace je zatím velmi obtížná a nákladná. Dostupné metody recyklace jsou přibližně pětkrát nákladnější než těžba nových surovin. Méně než 1 % baterií je recyklovatelné.https://techxplore.com/news/2022-02-issue-battery-recyclability.html - Researcher examines the issue of battery recyclability Akumulátory jsou nebezpečím pro životní prostředí. Dostávají se do něj nanočásticeNanoparticles may have bigger impact on the environment than previously thought či PFAS.

Jak prodloužit životnost

Skladujte a používejte je při nižších teplotách (5–15 °C). S rostoucí teplotou životnost klesá. Zchlazení na −35 °C životnost nenaruší.https://techxplore.com/news/2019-12-car-batteries-frozen-safer.html – Car batteries can be frozen for safer transportation Vnitřní elektrolyt ale zmrzne okolo −40 °C. Nenechávejte zbytečně dlouho plně nabité nebo úplně vybité baterie stát. Neudržujte je stále při 100% nabití. Ideální je udržovat akumulátor mezi 20–80 % kapacity. Při 40% nabití je životnost zhruba 3× delší.How to Prolong Lithium-based Batteries – http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries Nevybíjejte do úplného vybití. Dlouhodobé vybití vede k jejímu zničení. S hloubkou vybíjení (DoD) se životnost baterie snižuje. Občasné vybíjení, které je často doporučováno, rekalibruje sice indikátor nabití, ale životnosti baterie neprospívá.http://www.gamersnexus.net/guides/899-battery-myths-li-ion-battery-management – Busting Battery Myths: Taking Care of Li-Ion Batteries Nabíjejte baterie při pokojové teplotě. Pomalejší nabíjení je šetrnější.

Recyklace

Recyklace lithiových článků a akumulátorů dosahuje zatím globálně pouze 1 %. Naopak recyklace olověných akumulátorů, které jsou zatím nejrozšířenějším akumulátorem na světě, dosahuje v USA až 99 % a představují tak cirkulární ekonomiku.

Zvětšení podílu recyklace u lithiových baterií brání jednak jejich rozmanitost a jednak nákladnost celého procesu. Recyklace je prováděna suchou (rozdrcení a tavba) nebo mokrou cestou (rozdrcení a chemicky). Větších úspěchů by mohl dosáhnout proces, při kterém je nejprve baterie rozebrána na jednotlivé díly a ty jsou pak odděleně recyklovány. Tomu však brání rozmanitost lithiových baterií (tvary i technologie) a náročnost celého procesu (jak energetická a chemická, tak zátěží životního prostředí), a proto jsou baterie zatím vyráběny z nově vytěženého lithia. Použité lithiové baterie jsou ukládány na skládky s jiným odpadem (nebo spalovány).

Odkazy Reference

Související články lithiový článek akumulátor olověný akumulátor nikl-kadmiový akumulátor nikl-metal hydridový akumulátor lithium-polymerový akumulátor sodík-iontový akumulátor Lithium-železo-fosfátový akumulátor

Externí odkazy

BatteryUniversity.com Belza.cz Používání Li-Ion akumulátorů v praxi v Abecedě baterií a akumulátorů

Kategorie:Chemické zdroje elektřiny Kategorie:Akumulátory Kategorie:Ionty