 | Zobacz multimedia związane z tematem:Akumulator litowo-jonowy |
Akumulator litowo-jonowy (Li-Ion) –akumulator elektryczny, w którym jedna zelektrod jest wykonana z porowategowęgla, a druga z tlenków metali, zaś rolęelektrolitu stanowiciecz zawierająca solelitowe rozpuszczone w mieszaninie organicznychrozpuszczalników lubciało stałe. Akumulatory tego typu mająnapięcie ok. 3,6 V na ogniwo. Technologia ta pozwala na skumulowanie dwa razy więcej energii niż w akumulatorachNiMH o tym samym ciężarze i rozmiarach. Nie występuje w nichefekt pamięci.
Z racji tego, że akumulatory litowo-jonowe są jednymi z najlżejszych, są one stosowane przede wszystkim we wszelkiego rodzaju sprzęcie elektronicznym. Obecnie najczęściej wykorzystuje się je w laptopach, telefonach komórkowych oraz innych urządzeniach przenośnych.
Od pewnego czasu rośnie także zainteresowanie użyciem dużych pakietów akumulatorów litowo-jonowych (zazwyczaj od 20 do 100 kWh) wpojazdach elektrycznych. Wprowadzenie do produkcji samochodów i ciężarówek elektrycznych na skalę masową może w niedalekiej przyszłości wielokrotnie zwiększyć produkcję ogniw litowo-jonowych. Także producenci pojazdów znapędem hybrydowym coraz częściej zaczynają stosowaćogniwa litowo-jonowe zamiast NiMH[1].
Ogniwa litowo-jonowe stosowane w pojazdach elektrycznych znacznie różnią się od tych stosowanych w sprzęcie elektronicznym. Różnice wynikają przede wszystkim z większych wymagań związanych z warunkami pracy oraz większą wymaganą trwałością, sięgającą 10 lat. Ponadto pakiety wyposażone są w specjalne układy chłodzenia i ogrzewania, zapewniające optymalną temperaturę pracy. Ogniwa litowo-jonowe używane w pojazdach mogą być także szybko ładowane, zazwyczaj od 0 do 80% w 15–30 minut bez znaczącego wpływu na ich żywotność.
Przykładem wykorzystania ogniw litowo-jonowych typu 18650 (o najwyższej jakości oraz z dodatkowymi zabezpieczeniami) jest sportowysamochód elektrycznyTesla Roadster, w którym zastosowano 6831 takich ogniw[2]. Wielu producentów samochodów planuje jednak w swoich pojazdach użyć ogniw wielkoformatowych, o dużych pojemnościach np.Nissan Leaf[3]. Prawdopodobnie największe pakiety akumulatorów litowo-jonowych (280 kWh) są stosowane w ciężarówkach i ciągnikach siodłowych firmy Balqon Corporation[4][5].
Akumulatory litowo-jonowe są stosowane także jako stacjonarne magazyny energii przyodnawialnych źródłach energii, które charakteryzują się znaczną niestabilnością pracy.
Akumulatory Li-ion mogą zapalić się, wybuchnąć lub rozszczelnić się (wyciek elektrolitu), jeśli zostaną nagrzane do zbyt wysokiej temperatury. Nie należy ich przechowywać w samochodzie podczas upalnych i słonecznych dni. Zwarcie akumulatora może spowodować zapłon lub eksplozję. Nie należy również otwierać akumulatora. Akumulatory Li-ion zawierają urządzenia zabezpieczające, które, jeśli zostaną uszkodzone, również mogą spowodować, że akumulator zapali się lub wybuchnie. Ładowanie takiego akumulatora jest niebezpieczne. Podczas ładowania ogniwo (akumulator) rozgrzewa się, co może doprowadzić do wybuchu.
Akumulatory litowo-jonowe nie akceptują przeładowania, nadmiernego rozładowania oraz przegrzania, co narzuca naładowarki akumulatorów duże wymagania. Akumulatory, których katoda jest wykonana zkobaltu,niklu,manganu iglinu, zazwyczaj ładuje się do 4,20 V/ogniwo. Tolerancja wynosi +/− 50 mV/ogniwo. Niektóre odmiany ładuje się do 4,10 V/ogniwo; producenci niektórych ogniw dopuszczają 4,30 V/ogniwo i więcej. By nie przekroczyć maksymalnego napięcia i nie przegrzać ogniwa, standardowo ładuje się dwuetapowo[9]:
Nie należy rozładowywać ogniw Li-ion do napięcia niższego niż 2,75 V[10] do 3 V na ogniwo[9].
Akumulatory Li-ion cechują się wysokąsprawnością ładowania, czyli stosunkiem energii oddanej podczas pracy do energii włożonej do akumulatora w procesie ładowania. Wczesne wersje ogniw posiadały sprawność ok. 80–90%[12], nowsze osiągają sprawność ok. 94% przy prądzie ładowania i rozładowania równym 0,5 C, a dane pomiarowe wskazują na możliwość osiągnięcia sprawności przekraczającej 99% przy niższych wartościach prądu, gdy ogniwo pozostaje chłodne podczas ładowania i rozładowania[13].
W roli elektrolitu ciekłego zastosowanie znajdująsiarczan lituLi
2SO
4,heksafluorofosforan litu(inne języki)LiPF
6 inadchloran lituLiClO
4 rozpuszczone w mieszaniniewęglanu etylenu(inne języki) (EC),węglanu dimetylu (DMC),węglanu dietylu(inne języki) (DEC),węglanu propylenu(inne języki) (PC) lub węglanu etylu metylu (EMC) w różnych proporcjach. W 2004 r. zaproponowano stosowanie złożonego fosforanuLi
1+xA
xM
2−x(PO
4)
3 (A =Al,Sc,Y, M =Ti,Ge) jako elektrolitu stałego, co jest możliwe ze względu na odporność tego związku na działanie wody w warunkach pracy ogniwa[14].
Rosnące zapotrzebowanie na akumulatory doprowadziło sprzedawców oraz pracowników naukowych do zwiększenia uwagi nad poprawą gęstości energii,temperatury pracy, bezpieczeństwa, trwałości, czasu ładowania, mocy wyjściowej oraz nad kosztami stosowania litu w bateriach typu Li-ion. Następujące materiały były stosowane w handlowo dostępnych ogniwach:
| Technologia | Producent | Zastosowanie | Rok | Cechy technologii | Właściwości elektrochemiczne |
|---|---|---|---|---|---|
| „LMO”,LiMn 2O 4 | LG Group[15],NEC,Samsung[16],Hitachi[17], Nissan/AESC[18] | pojazdy hybrydowe,telefon komórkowy,laptop | 1996 | trwały, ostatecznie wycofany z produkcji z powodu szkodliwości manganu i występującą destabilizację dyfuzji litu | pojemność: 120 mAh/g napięcie: 4,1 V[19] |
| „LFP”,LiFePO 4(inne języki) | University of Texas[20], Phostech Lithium Inc., Valence Technology, A123Systems/MIT[21][22] | narzędzia z napędem elektrycznym,lotnictwo, samochodowe systemy hybrydowe, konwektory PHEV | 1996 | stabilny temperaturowo, słaby potencjał ogniwa i przewodność jonowa (domieszkowanie poprawia przewodność) | pojemność: 165 mAh/g napięcie: 3,4 V |
| „NMC”,LiNi xMn yCo zO 2 | Imara Corporation[23] | 2008 | pojemność, wydajność, bezpieczeństwo | pojemność: 165 mAh/g napięcie: 3,7 V dlaLiNi 0,33Mn 0,33Co 0,33O 2[19] | |
| „Li-Air” | IBM, Polyplus[24] | motoryzacja | 2012 | gęstość energii: powyżej 10 Ah na gram materiału elektrody dodatniej. | |
| „NCA”,LiNiCoAlO 2 | Tesla | pojazdy elektryczne | 2009 | stabilność do temperatury 40 °C | pojemność: 199 mAh/g napięcie: 3,7 V |
| Technologia | Firma | Zastosowanie | Rok | Cechy technologii | Właściwości elektrochemiczne |
|---|---|---|---|---|---|
| Grafit | główny materiał anodowy stosowany w bateriach typu Li-ion. | 1991 | szeroko dostępny w przyrodzie, znosi dużą liczbę cykli, jednak przy silnej dyfuzji litu może dojść do rozwarstwień płytek, gdyż grafit potrafi zwiększyć swoją objętość do 10%[19] | ||
| Cyna/stop kobaltu | Sony | Sony Nexelion battery | 2005 | większa pojemność niż baterii z anodą grafitową (3,5 Ah, bateria typu 18650) | |
| „LTO”, Li | Toshiba, Altairnano, Mitsubishi | motoryzacja, sieci elektryczne (PJM Interconnection Regional Transmission Organization) | 2008 | drogi, duża liczba cykli, czas ładowania, niska zmiana objętości do 0,2%, stosowany zamiast grafitu | |
| Twardy węgiel | Energ2[25] | rynek elektroniczny | 2013 | największa pojemność, małe ryzyko rozwarstwień | |
| Krzem/węgiel | Amprius[26] | smartfony, zapewnia pojemność 1850 mAh | 2013 | gęstość energii: 580 W·h/l | |
| Lit/wanad | stopLiO 2 z wanadem w celu zabezpieczenia elektrody przed rozwarstwieniem i powstawaniem dendrytów litu[19] |
W momencie wprowadzenia do komercyjnego zastosowania (połowa lat 90. XX wieku) akumulatory litowo-jonowe kosztowały około $3000 za kWh. W 2015 roku było to ok. $190 za kWh[27]. Koszt litu stanowi mniej niż 1% kosztu wytworzenia akumulatora[28].
Ze względu na fakt, że do produkcji akumulatorów litowo-jonowych wykorzystuje się wiele cennych surowców, takich jakkobalt czynikiel, zostały opracowane różne metody ich odzysku. Przykładowy proces recyklingu akumulatorów litowo-jonowych rozpoczyna się od ich demontażu na pojedyncze ogniwa, a następnie ich rozdrobnieniu. Dodatkowo tak przygotowany materiał można poddać separacji magnetycznej lub oczyszczaniu ultradźwiękami. Następnie przechodzi się do obróbki chemicznej. Jej pierwszym etapem jest procespirometalurgiczny, w którego wyniku powstajestop oraz odpad w postaciżużla. Na koniec przechodzi się do procesuhydrometalurgicznego, który obejmujeługowanie kwasem lub rzadziej stosowanebioługowanie[29].
WHoboken wBelgii znajduje się jedna z największych instalacji zajmujących się recyklingiem akumulatorów litowo-jonowych. Może ona przerobić 7000 ton akumulatorów rocznie[30].
