Ako dobre viete, technológia lítium – iónová je pre naše zariadenia čoraz viac dôležitá. Nie všetci si však uvedomujú, aké sú bežné v živote každého z nás. Lítium-iónová batéria už nie je len pre notebooky ale aj pre Aku náradie, vysávače, dróny a dokonca pre autá. Dnes si prečítate, aké skutočne sú batérie lítium-iónové, a prečo sú tak žiadané.
História vývoja li-ion technológií
Už na začiatku 20. storočia bol zaznamenaný veľký potenciál lítia ako materiálu, ktorý tvorí hlavnú zložku batérií. Je to kov s najnižšou hustotou, vysokým elektrochemickým potenciálom a vysokým pomerom energie k hmotnosti. Americký chemický fyzik George Newton Lewis už v roku 1912 začal experimentovať s lítiovými batériami, ale na trh sa objavili až v roku 1970. Prvý veľký krok pri tvorbe lítium-iónových článkov nastal v roku 1979.
Profesori John Goodenough a Kiochi Mizushima na Oxfordskej univerzite vytvorili nový typ iónovej batérie, v ktorej môže lítium putovať od jednej elektródy k druhej vo forme iónov. Toto je základ pre súčasné lítium-iónové batérie. Nižšie je znázornená schéma činnosti batérie. Počas nabíjania sa lítiové ióny pohybujú od uhlíkovej anódy k katóde z oxidu lítia a iných kovov, a sú tam uložené. Počas vybíjania sa tento proces vracia... ale o konštrukcii a prevádzke si povieme až neskôr.
Na prvú komerčnú lítium-iónovú batériu sme nečakali až do roku 1991. Spoločnosť Sony ju zaviedla do svojich kamier a ďalšie spoločnosti nasledovali kroky tohto japonského obra. Veľká výhoda lítium-iónovej technológie v porovnaní s vtedy dominantným nikel-kadmiom bola veľmi rýchlo rozpoznaná. Výhodou bola nielen veľká hustota, čo umožnilo akumulovať dvojnásobne väčšie zaťaženie v batérií rovnakej veľkosti, ale aj vysoké napätie článkov na úrovni 3,6V.Bunky niklu a kadmia získali 1,2V, takže by sme potrebovali až tri na získanie podobného napätia. Ďalšie výhody, ktoré tlačí Li-ion dopredu je nedostatok efektu pamäte, nízka škodlivosť pre životné prostredie a pomalšie samo vybíjanie.
Konštrukcia lítium-iónovej batérie
Na začiatku by bolo vhodné oddeliť dva pojmy, ktoré budeme používať v tomto segmente – články a batérie.
Články – základné zariadenie na skladovanie energie z elektród, separátov a elektrolytov. Teoreticky sa samotná bunka mohla fungovať ako batéria, ale v prípade lítium-iónovej by to bolo nebezpečné aj vďaka riziku prehriatia. Dobíjacie lítium-iónové batérie môžu mať rôzne tvary, ale najčastejšie používanou formou valcových článkov he 18 650. Toto číslo predstavuje priemer približne 18 mm a dĺžku približne 65 mm. Takéto články dosahujú maximálnu kapacitu 3500 mAh, ale prúd, ktorý môžu odrážať sa môže líšt v závislosti od ich konštrukcie. Články môžu mať rôznu chemickú štruktúru, ktorá významne ovplyvňuje ich parametre. Najobľúbenejšou verziou je lítium-kobalt, pre konštrukciu článkov, mangánu, titánu, hliníka alebo niklu v rôznych zmesiach a podieloch. Väčšina z týchto možností sa však neoplatí.
Batérie – sú zariadenia slúžiace na skladovanie elektrickej energie a je navrhnuté tak, aby poskytovalo túto energiu bezpečným spôsobom. Pre potreby tohto článku sa obmedzíme na definíciu lítium-iónovej batérie ako opakovane použiteľná batéria – môže sa nabíjať a vybíjať. Batéria môže obsahovať ľubovoľný počet článkov. Väčšina lítium-iónových batérií sa skladá z vyššie uvedeného čísla 18650 článkov zapojených do série s vyšším napätím. Rovnaké články môžu tvoriť batériu do notebooku s napätím 10,8 V (6 článkov pripojených 3S2P, t.j. tri série a 2 paralelne) tak aj veľké batérie Tesla P100D napätie viac ako 400 V a maximálny výkon 451 kW. Táto batéria sa skladá z viac ako 7000 článkov typu 18650, podobných ako na obrázku vyššie. Všetko však naznačuje tomu, že táto technológia sa zmení na iný typ lítia. Spoločnosť Tesla spolu so spoločnosťou Panasonic vyvíja nový typ článku vo formáte 2170 s inou chemickou štruktúrou. Doteraz sa však tento plán obmedzuje len na model Tesla Model 3, prvé auto priekopníka americkej technológie.
Výkon a životnosť lítium-iónovej batérie
Prevádzková doba lítium-iónovej batérie závisí od dvoch aspektov:
- Kapacita
- Spotreba energie
Kapacita v prípade li-ion batérií sa zvyčajne vyjadruje prostredníctvom mAh a pre každú batériu sa mení v dôsledku používania. Maximálna kapacita batérie do notebooku veľkosťou 4400 mAh sa po roku používania môže zmeniť, napríklad až na 4000 mAh. To samozrejme hlavne ovplyvňuje prevádzkový čas zariadenia.
Druhým aspektom je spotreba energie. V prípade notebooku alebo telefónu môže spotreba energie vyplývať z mnohých aspektov, ako napríklad jas obrazovky, využívanie procesora, používania internetu a dokonca aj vek a teplota samotného zariadenia. V závislosti od týchto aspektov sa prevádzkový čas môže výrazne líšiť. Treba tiež pamätať na to, že lítium-iónová stráca svoj náboj aj vtedy, keď sa nehýbe alebo nevyužíva.
Ďalší vývoj lítium-iónovej batérie?
Pravdou je, že technológia li-ion a jej podobná lítium-polymer sú stále dominantné vo väčšine prenosných zariadení. To však neznamená že nedosahujeme žiadny pokrok. Existuje mnoho zlepšení, ktoré tlačia mobilné technológie dopredu. Určite jednou z nich je aj technológia ktorú sme spomínali vyššie, vytvorená spoločnosťou Tesla. Neskôr došlo k zlepšeniu v súvislosti s používaním grafénu. Ak nájdete jednoduchý a lacný spôsob získania grafénu, určite sa môže použiť na zlepšenie lítium-iónových článkov. V danej chvíli sa s vami lúčime s vierou, že sme Vám dostatočne osvetlili princíp batérie li-ion.