Ak zariadenie, na ktorom čítate tento článok, nenapája elektrická zásuvka, tak je viac než pravdepodobné, že používa lítium-iónovú batériu. Dopyt po tomto type batérií v posledných rokoch neustále rastie, pretože technologický pokrok umožňuje zmenšiť batériu a súčasne zvýšiť množstvo uskladnenej energie v nej.

V tomto článku sa zameriavame na lítium-iónové batérie. Prečo sú tieto batérie tak obľúbené? Americká nadnárodná technologická spoločnosť Apple má odpoveď: "V porovnaní s tradičnou technológiou batérií sa lítium-iónové batérie nabíjajú rýchlejšie, vydržia dlhšie a majú väčšiu hustotu energie, vďaka ktorej je životnosť batérie v menšej veľkosti dlhšia."

Na začiatok sa pozrieme na niektoré štatistiky poukazujúce na stav priemyslu lítium-iónových batérií a potom vysvetlíme, ako lítium-iónové batérie fungujú, a poskytneme tipy, ako sa o batériu vo svojom zariadení starať. Nakoniec si prejdeme niektorými technológiami, ktoré súperia s lítium-iónovými batériami.

Niekoľko štatistík

Aby sme získali predstavu o stave priemyslu lítium-iónových batérií, pozrime sa na niekoľko rýchlych štatistík:

• Očakáva sa, že dopyt po energii z batérií na celom svete sa zvýši z 184 GWh (Gigawatthodín) v roku 2018 na viac ako 2 600 GWh do roku 2030. Aby ste získali predstavu o tom, čo tieto čísla v skutočnosti znamenajú, možno budete potrebovať vedieť, že 1 GW dokáže napájať 110 miliónov LED diód.
• Dopyt po lítium-iónových batériách je podporovaný rýchlym rastom predaja elektrických vozidiel, pričom spoločnosti ako Tesla predala v roku 2020 500 000 elektrických vozidiel.
• V roku 2020 bola plánovaná veľkosť trhu s lítiovými batériami 35,3 miliardy dolárov; Očakáva sa však, že v roku 2025 sa toto číslo zdvojnásobí.
• Keďže dopyt po lítium-iónových batériách stále rastie, očakáva sa, že do roku 2030 budú náklady na tieto batérie o 50% nižšie.
• V máji 2021 vedci z Paulson School of Engineering and Applied Sciences uviedli, že navrhli lítium-kovovú polovodičovú batériu pre elektromobily, ktorá sa dá nabiť do 10 až 20 minút a dá sa nabiť a vybiť najmenej 10 000-krát.

Nobelova cena  za technológiu

Ako dôkaz revolučnosti technológie lítium-iónových batérií získali vedci, ktorí hrali aktívnu úlohu pri vývoji technológie, Nobelovu cenu za chémiu v roku 2019. Týmito vedcami sú John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham a Akira Yoshino.

Web ScienceDaily.com, čo je zdroj informácií o technickom, vedeckom a lekárskom výskume, ponúka predstavu o tom, prečo Nobelov výbor zistil, že títo traja vedci si zaslúžia práve toto ocenenie. Web cituje Nobelovu nadáciu: "Lítium-iónové batérie spôsobili revolúciu v našich životoch od svojho prvého uvedenia na trh v roku 1991." Dodávajúc: "Položili základy bezdrôtovej spoločnosti bez fosílnych palív a predstavujú najväčší prínos pre ľudstvo."

Technológia stojaca za lítium-iónovou batériou

Rovnako ako tradičné nenabíjateľné batérie, tak aj lítium-iónové batérie ukladajú energiu a v prípade potreby ju premieňajú na elektrickú energiu. Energia, ktorá poháňa zariadenie, pochádza z toku elektrického prúdu z negatívneho konca na kladný koniec batérie.

Lítium-iónová batéria sa skladá z článkov rovnako ako všetky ostatné batérie. V každej bstérii nájdete tri komponenty:

Pozitívna elektróda (+) : Na výrobu pozitívnej elektródy (katóda) sa používa chemická zlúčenina známa ako oxid lítno-kobaltový (LiCoO₂) alebo fosforečnan lítno-železitý (LiFePO₄). Kladná elektróda je pripevnená k kladnému pólu batérie.

Záporná elektróda (-) : Záporná elektróda (anóda) je obvykle vyrobená z uhlíka (rovnaký materiál sa nachádza vo vnútornej časti ceruzky) a je pripojená k zápornému pólu.

Elektrolyt : Jedná sa o minerál, ktorý prenáša elektrický náboj medzi katódou a anódou. V niektorých batériách je tento materiál rozpustený vo vode, čo spôsobuje, že mnoho ľudí verí, že elektrolyt je vždy kvapalina. Existuje však mnoho prípadov, keď je elektrolyt pevný.

Nabíjanie a vybíjanie lítium-iónových batérií

Keď sa nabíjateľná lítium-iónová batéria nabíja, monovalentné katióny (ióny nesúce kladný náboj) sa prenášajú z katódy na anódu. Keď sa tieto pozitívne elektróny pohybujú, katóda získava elektróny a anóda stráca elektróny procesmi známymi ako redukcia a oxidácia. Zariadenie zostáva úplne nabité, keď už neunikajú žiadne ióny.

Keď je vaše zariadenie úplne nabité a začnete ho používať, monovalentné katióny sa pohybujú z anódy na katódu. Keď sa váš mobilný telefón alebo prenosný počítač vypne, pretože je batéria vybitá, znamená to, že už žiadne ióny netečú z negatívneho na kladný pól.

Predĺženie životnosti lítium-iónovej batérie

Jeden z problémov, ktoré spôsobujú zámenu s lítium-iónovými batériami, je spôsob nabíjania batérie, aby bola zachovaná jej životnosť. Životnosť lítium-iónovej batérie je často určená nabíjacími cyklami.

Keď sa mobilné zariadenia, ktoré používajú lítium-iónové batérie, stali populárnymi, často nám bolo povedané, aby sme po ich nabití počkali, kým sa batéria takmer vybije. Aj pri nabíjaní by ste mali normálne kontrolovať, či je batéria nabitá, aby ste ju mohli vybrať z nabíjačky. To sa vykonalo preto, aby sa zabránilo nabíjaniu batérie nad rámec jej kapacity.

Nedávny vývoj v oblasti lítium-iónových batérií a mobilných zariadení to veľmi zjednodušil. Spoločnosť Apple napríklad odporúča používateľom: "Nabite lítium-iónovú batériu Apple kedykoľvek budete chcieť." Dodávame: "Pred nabíjaním nie je potrebné nechať ju 100% vybiť."

Spoločnosť Apple definuje aj frázu pre nabíjací cyklus: "Jeden nabíjací cyklus absolvujete, keď použijete (vybijete) množstvo, ktoré sa rovná 100% kapacity vašej batérie - nie však nevyhnutne všetko na jedno nabitie."

Vyššie uvedené tvrdenie znamená, že ak je vaša batéria nabitá na 50%, k úplnému nabitiu dôjde iba vtedy, keď ju použijete na 0%, nabijete batériu na plnú kapacitu a potom ju budete používať, kým sa nevybije na 50%, využitie celkom 100%. Ak ho v tomto bode znova nabijete, spustíte druhý cyklus nabíjania. To sa ale líši od tvrdenia vyššie, že cyklus nabíjania je zakaždým, keď pripojíte telefón na nabíjačku a potom ju odpojíte, keď je batéria  nabitá.

Tipy na starostlivosť o lítium-iónovej batérie

V článku publikovanom na webovej stránke PowerElectronics.com venovanej energetickému dizajnu ponúka Fran Hoffart niekoľko užitočných tipov na predĺženie životnosti lítium-iónovej batérie:

• Nabite batériu kedykoľvek chcete: Pamätajte si, že čím menej energie batéria má, tým ťažšie je udržať vaše zariadenie v prevádzke, čím sa skráti životnosť batérie.
• Vyhnite sa nabíjaniu na 100% kapacity: Keď sa batéria nabíja, zahrieva sa, čo môže mať škodlivý vplyv na jej životnosť. Vybratie batérie z nabíjačky na 80% znamená, že na jedno nabitie strávi zahrievaním menej času.
• Vyhnite sa nabíjaniu pri extrémnych teplotách: Nabíjanie batérie pod 0 °C môže spôsobiť, že batéria bude nestabilná a nebezpečná.

A čo rýchle nabíjanie? Pri odpovedi na otázku, či rýchle nabíjanie poškodí vašu batériu, Clifford Colby z Cnet.com cituje názory odborníkov : "Rýchle nabíjanie nepoškodí vašu batériu."

Colby podporuje svoj záver tým, že poznamenáva, že počiatočná fáza rýchleho nabíjania "aplikuje nárast napätia na prázdnu alebo takmer prázdnu batériu" a rýchlo nabíja batériu v prvých minútach nabíjania. Pretože je batéria vybitá, môže ľahko absorbovať značný náboj energie bez poškodenia.

Colby vo svojom článku odpovedá aj na ďalšiu častú otázku: čo ak sa batéria "prebíja"? Hovorí, že batériu nie je možné prebíjať, pretože moderné zariadenia sú navrhnuté tak, aby monitorovali proces nabíjania a zastavili nabíjanie, keď je batéria plne nabitá.

Nové technológie

Keďže dopyt po väčšom výkone neustále rastie, vedci a výrobcovia batérií preto tvrdo pracujú na zlepšovaní tejto technológie. Výsledkom tohto úsilia je objavenie materiálov, ktoré sa snažia vyrovnať s obmedzeniami batérií, ktoré sa v súčasnosti používajú.

Riešenie nebezpečenstva výbuchu

Niektorí z týchto výskumníkov, ktorí pracujú na riešeniach problémov a obmedzení súčasných lítium-iónových batérií, sú na univerzite Texas A&M. V článku publikovanom univerzitou Vandana Suresh uvádza, že vedci "vynašli technológiu, ktorá môže zabrániť zahrievaniu a zlyhaniu lítiových batérií".

Suresh cituje Jurana Noha, študenta zapojeného do projektu University of Texas A&M University, ktorý hovorí: "Navrhli sme novú generáciu anód pre lítiové batérie, ktoré sú účinné pri výrobe veľkých a trvalých prúdov potrebných na rýchle nabíjanie zariadení." Noh ďalej dodáva "že táto nová architektúra zabraňuje akumulácii lítia mimo anódu, čo môže v priebehu času spôsobiť nechcený kontakt medzi obsahom dvoch oddelení batérie, čo je jednou z hlavných príčin neželených výbuchov zariadení".

Snahy o predĺženie výdrže batérie

Jednou z výrazných frustrácií pri používaní lítium-iónových batérií je ich postupná strata kapacity. Toto je problém, na ktorom pracujú tímy z Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). EurekAlert.org, webová stránka, ktorú prevádzkuje Americká asociácia pro rozvoj vedy (AAAS), uvádza, že japonskí vedci vyvíjajú "nový spojivový materiál, ktorý chráni grafitovú anódu Li-ion batérií pred degradáciou aj po 1700 cykloch".

Ak sa to japonským vedcom podarí, nabíjateľná batéria telefónu by mohla vydržať zhruba šesťnásobok jej súčasnej životnosti (za predpokladu, že batériu bude potrebné vymeniť po 300 nabíjacích cykloch).

Grafitová anóda je životne dôležitá pre životnosť lítium-iónovej batérie, pretože keď sa batéria nabije, degraduje sa. Článok v AAAS hovorí, že na to, aby grafit v batérii zostal neporušený, potrebuje dobré spojivo. Ďalej uvádza, že v súčasnosti používané spojivá nie sú ani zďaleka veľmi ideálne, pretože majú niekoľko nedostatkov.

Idú ďalej ako lítium-iónové batérie

Aj keď úsilie o vylepšenie lítium-iónových batérií pokračuje, existujú paralelné pokusy pozrieť sa na materiály odlišné od lítia. Napríklad článok Michaela Taylora uverejnený na stránkach Forbes.com informuje o austrálskej inovácii hliníkových iónov, ktorá sľubuje oveľa rýchlejšie nabíjanie ako lítium-iónová batéria.

Taylor uvádza, že "Články z grafén-hliníkovo-iónové batérie od skupiny Graphene Manufacturing Group (GMG) so sídlom v Brisbane sa údajne nabíjajú až 60-krát rýchlejšie ako najlepšie lítium-iónové články a zadržiavajú trikrát viac energie ako najlepšie hliníkové články."

Väčšia hustota energie

Hustota energie označuje množstvo energie, ktoré je možné uložiť v určitom priestore v materiáli. Ak teda menšia batéria a väčšia batéria skladujú rovnaké množstvo energie, menšia batéria má údajne vyššiu hustotu energie ako väčšia batéria. Vylepšenie hustoty energie je to, na čom usilovne pracuje startup s názvom QuantumScape.

8. decembra 2020 spoločnosť QuantumScape vydala vyhlásenie, v ktorom naznačuje, že údaje, ktoré zhromaždila zo svojich lítium-kovových batérií novej generácie "demonštrujú technológiu pevných lítium-kovových batérií s vysokou energetickou hustotou, ktorá zlepšuje životnosť, dobu nabíjania a bezpečnosť. " Spoločnosť tvrdí, že jej batéria je "navrhnutá tak, aby umožňovala až o 80% dlhší dojazd v porovnaní s dnešnými lítium-iónovými batériami".

Nabíjanie desaťkrát rýchlejšie

Vedci z Katedry elektrochémie v Petrohradskej univerzite tvrdia, že pracujú na redox-aktívnych nitroxylových polyméroch. V článku napísanom univerzitou a publikovanom stránkou Scitechdaily.com vedci tvrdia, že "Batéria vyrobená z nášho polyméru sa nabije za niekoľko sekúnd asi desaťkrát rýchlejšie ako tradičná lítium-iónová batéria."

Vedci z Petrohradskej univerzity priznávajú, že ich batérie čelili značnej výzve, pokiaľ ide o kapacitu. SciTechDaily.com cituje vedúceho výskumného tímu, ktorý hovorí: "V tejto fáze však stále zaostáva v kapacite o 30 až 40% nižšej ako v prípade lítium-iónových batérií."

Batérie budú mať v budúcnosti zásadnú úlohu

Keďže si svet uvedomuje, že používanie fosílnych palív ako zdroja energie je z dlhodobého hľadiska neudržateľné, bude batéria pri transformácii energie hrať kľúčovú úlohu. Ak sa pozriete na úsilie, ktoré sme uviedli vyššie; je zrejmé, že akademická obec i priemysel sa stavajú k výzve zaistenia trvalo udržateľnej energie prostredníctvom výroby bezpečnejších, ľahších, lacnejších a trvanlivejších batérií na jedno nabitie s celkovo rovnako dlhou životnosťou.