Liczba samochodów elektrycznych na świecie szybko wzrasta – według prognoz do 2030 roku po drogach będzie poruszać się nawet 145 mln takich pojazdów, a zapotrzebowanie na baterie litowo-jonowe wzrośnie nawet czternastokrotnie.
Na rynku baterii do samochodów elektrycznych wciąż zachodzą dynamiczne zmiany. Dzięki ulepszeniom systematycznie wprowadzanym w akumulatorach udział w rynku pojazdów o napędzie elektrycznym ma szansę znacznie się zwiększyć w ciągu najbliższych lat. Sprawdź, jakie typy baterii są aktualnie wykorzystywane, dowiedz się, jakie trendy obecnie panują w branży elektromobilności i jakich zmian możemy spodziewać się w nadchodzącej dekadzie. Rodzaje baterii do samochodów elektrycznych Jednym z najbardziej istotnych elementów budowy samochodów elektrycznych jest bateria składająca się z połączonych ogniw – to w niej magazynuje się energię, która wprawia pojazd w ruch. Baterie różnią się przede wszystkim długością cyklu życia, składem chemicznym, czy też wagą. Obecnie najpopularniejsze są baterie litowo-jonowe, dzięki którym zasięg pojazdu na jednym ładowaniu może sięgać nawet kilkuset kilometrów. Tego typu technologia jest wykorzystywana nie tylko w branży transportowej, ale i w różnego rodzaju urządzeniach elektronicznych – smartfonach, czy też laptopach. Obecnie na rynku występują 4 rodzaje baterii litowo-jonowych. Baterie litowo - jonowe do samochodów elektrycznych Wśród wymieniowych wyżej typów największe zainteresowanie producentów pojazdów elektrycznych wzbudzają baterie litowo-niklowo-kobaltowo-manganowe. Jak wynika z raportu o najważniejszych trendach na rynku baterii do samochodów elektrycznych, stworzonego przez Frost & Sullivan, tego typu akumulatory posiadają szereg zalet. Do najważniejszych z nich należą wysoka wydajność, bezpieczeństwo oraz niewielkie rozmiary. Ładowanie pojazdu elektrycznego – rodzaje stacji ładowania Stacje ładowania do pojazdów o napędzie elektrycznym możemy podzielić na tzw. stacje wolne (o mocy mniejszej niż 11 kW), średnio szybkie (o mocy 11-22 kW), jak i szybkie (o mocy większej niż 50 kW). Według IEA to prywatne stacje ładowania zlokalizowane przy domach, czy też biurowcach, stanowiły w 2017 roku największą część infrastruktury do ładowania samochodów elektrycznych – wtedy na całym świecie było ich ok. 3 miliony. Natomiast stacje ładowania przeznaczone do użytku publicznego były w tym czasie nieco mniej popularne. Ich liczba kształtowała się na poziomie ok. 430 tys. (ok. 25% z nich to ładowarki szybkie). Zgodnie z przewidywaniami IEA liczebna przewaga prywatnych stacji ładowania ma szansę znacząco zwiększyć się do 2030 roku. Jak długo ładuje się baterię do auta elektrycznego? Czas ładowania baterii jest uzależniony od konkretnego modelu samochodu, pojemności baterii oraz tego, jak uzupełniamy energię. Co ważne, niektóre modele posiadają pewne ograniczenia, dotyczące sposobu ich ładowania – przed pierwszym ładowaniem pojazdu należy zapoznać się informacjami podanymi przez producenta. W przeciwnym razie bateria może zostać uszkodzona, co narazi nas na dodatkowe koszty. Baterię do auta elektrycznego można ładować na kilka sposobów: korzystając z ładowarki umieszczonej na publicznej stacji ładowania, korzystając z domowej stacji ładowania, korzystając z gniazdka domowego. Mimo że ładowanie samochodu za pomocą zwykłego gniazdka w garażu jest możliwe, znacznie bezpieczniejszym i wydajniejszym rozwiązaniem będzie skorzystanie ze stacji ładowania. Stacje posiadają o wiele większą moc, dzięki czemu pojazd zostanie naładowany w zdecydowanie krótszym czasie. Przykładowo, na naładowanie przeciętnego samochodu z domowego gniazdka o mocy 230 V w niektórych przypadkach potrzeba nawet 8-15 godzin. Wolne stacje ładowania o mocy nieco ponad 3 kW, umożliwiają nam pełne naładowanie auta w ok. 6 godzin lub więcej. Korzystając ze średnio szybkiej stacji ładowania, możesz skrócić ten czas nawet do 3-4 godzin. Natomiast szybkie stacje ładowania pozwalają na naładowanie akumulatora nawet w 30 minut! Na czas ładowania baterii wpływa również moc, jaką ładowarki znajdujące się wewnątrz pojazdów są w stanie przyjąć. W zależności od samochodu wartości te mogą wahać się między 3,6 kW (bardzo wolne) a nawet ponad 40 kW (bardzo szybkie) na godzinę. Jakie czynniki wpływają na trwałość baterii litowo-jonowych? Nieprawidłowa eksploatacja pojazdu (mało ekonomiczna technika jazdy, czy też sposób ładowania samochodu) i czynniki zewnętrzne mogą w negatywnym stopniu wpłynąć na trwałość baterii. Jednym z czynników, które mogą zaszkodzić jej najbardziej, jest temperatura – zbyt niska może zmniejszyć wydajność, a także zasięg pojazdu. Natomiast zbyt wysoka temperatura niesie ze sobą ryzyko uszkodzenia baterii – do podobnej sytuacji niekiedy może doprowadzić także użycie nieodpowiedniej ładowarki. Do przegrzania akumulatora może dojść w sytuacji, kiedy pojazd jest zbyt długo podłączony do stacji ładowania lub samochód jest trzymany w miejscu, w którym panują zbyt wysokie temperatury. Warto także zaznaczyć, że bateriom jonowo-litowym nie służy ich rozładowywanie do 0%, ani ładowanie do pełna. Pojemność baterii może sukcesywnie się obniżać wraz z każdym pełnym naładowaniem i rozładowaniem akumulatora, co skutkuje także mniejszym zasięgiem pojazdu na jednym ładowaniu. Utrzymywanie energii na poziomie 50-80% pojemności baterii to optymalne warunki dla tego rodzaju akumulatorów. Współcześnie wykorzystywane rozwiązania są stale doskonalone – obecne nadal posiadają wiele ograniczeń, które utrudniają im konkurowanie z pojazdami spalinowymi. Wciąż dąży się do tego, by ładowanie baterii było szybsze, a same akumulatory stały się znacznie wydajniejsze, lżejsze, mniejsze i trwalsze. Stworzenie niezawodnego produktu posiadającego wszystkie te cechy to prawdziwe wyzwanie dla osób pracujących przy powstawaniu pojazdów elektrycznych. Jednak według ekspertów w nadchodzącej dekadzie możemy spodziewać się prawdziwej rewolucji na rynku elektromobilności. Testowanie nowych kombinacji pierwiastków w bateriach (a przede wszystkim baterii ze stałym elektrolitem), może doprowadzić do znalezienia rozwiązania, dzięki któremu samochody elektryczne będą dorównywały wydajnością współczesnym pojazdom spalinowym, a ich ładowanie stanie się bardziej komfortowe. Trendy na rynku baterii do samochodów elektrycznych Według danych z raportu Frost & Sullivan baterie stanowią 50% ceny samochodu elektrycznego – w najbliższych latach ten stan rzeczy ma ulec zmianie. Wysokie koszty związane z produkcją akumulatorów, przyczyniają się do wzrostu cen pojazdów, a tym samym tego typu inwestycja staje się znacznie mniej przystępna pod względem finansowym dla wielu z nas. Frost & Sullivan zapowiadają, że wysokie ceny aut elektrycznych już wkrótce staną się przeszłością. Przewiduje się, że do 2020 roku koszt produkcji baterii obniży się o ponad 40% (ze 170 USD/kWh w 2018 roku na 100 USD/kWh w 2020 roku) i stosunkowo duża dysproporcja między cenami samochodów elektrycznych a spalinowych, zmniejszy się. Optymalizacja kosztów produkcji baterii sprawi, że samochody elektryczne staną się tańsze i więcej kierowców niż dotychczas będzie mogło pozwolić sobie na zakup tego typu pojazdu. W dodatku kolejna generacja baterii ma być znacznie wydajniejsza – ich pojemność może przekroczyć 60 kWh. Innowacyjne baterie ze stałym elektrolitem Wspomniane już wcześniej baterie ze stałym elektrolitem mogą prawdziwie zrewolucjonizować sektor elektromobilności. Oto ich największe zalety: większe bezpieczeństwo, poprawa wydajności, dzięki większej pojemności baterii, wzrost gęstości energii o 2,5-raza, niższe koszty produkcji, redukcja kosztów kWh. Baterie ze stałym elektrolitem mają być nie tylko bezpieczniejsze niż dotychczas wykorzystywane baterie litowo-jonowe, ale także wydajniejsze i generować mniejsze koszty produkcji. Baterie ze stałym elektrolitem sprawią, że zasięg samochodu na jednym ładowaniu stanie się większy – w niektórych przypadkach może wzrosnąć aż do 800 km! Nad tym rozwiązaniem pracują już takie koncerny jak BMW i Toyota. Toyota zapowiada wprowadzenie produktu na rynek do 2023-2025 roku. Aktualnie ogromne zainteresowanie wzbudzają ogniwa do baterii produkowane w technologii NCM 811. Charakteryzują się małą zawartością kobaltu (10%) oraz manganu (10%) na rzecz większego udziału niklu (80%) – ograniczenie ilości zbyt drogiego i trudno dostępnego kobaltu oznacza również redukcję kosztów kWh. Ogromną zaletą ogniw NCM 811 jest także zapewnienie większej pojemności baterii bez jednoczesnego zwiększania jej rozmiaru. Oznacza to, że nawet w przypadku kompaktowych modeli samochodów, można uzyskać w pełni satysfakcjonujący zasięg na jednym ładowaniu. Ogniwa te wciąż znajdują się w fazie testowej, jednak wszystko wskazuje na to, że nie będziemy musieli zbyt długo czekać na ich wprowadzenie na rynek. NCM 811 mogą wyznaczyć nowy kierunek rozwoju branży elektromobilności i sprawić, że pojazdy o napędzie elektrycznym przestaną być towarem luksusowym, ale niezwykle przystępną alternatywą dla pojazdów spalinowych. Szukasz ładowarki do samochodu elektrycznego? Sprawdź dostępne w ofercie AmperGo ładowarki, wallboxy i stacje ładowania aut elektrycznych: Niestandardowe akumulatory litowo-jonowe do samochodów elektrycznych i potrzeba BMS System zarządzania akumulatorem lub BMS jest zawarty w większości zestawów akumulatorów, aby ocenić niezawodność i funkcjonalność akumulatora. Rozważając baterie litowo-jonowe, większość ludzi może się zastanawiać, jak bardzo potrzebny jest BMS i czy jest naprawdę potrzebny. … Branża automotive, Baterie samochodowe, Automatyzacja procesówKomponenty z EPP w produkcji baterii litowo-jonowych do samochodów elektrycznych – zastosowania i korzyści 30 grudnia 2020 Producenci samochodów elektrycznych najczęściej wybierają akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion), gdyż pozwalają one przejechać więcej kilometrów w porównaniu do innych technologii. Choć w tym przypadku nie występuje efekt pamięci, a żywotność LITOWO-JONOWYCH baterii samochodowych jest duża, powinny być eksploatowane w odpowiednich warunkach. Czym są baterie litowo-jonowe i jak je chronić? Baterie litowo-jonowe po raz pierwszy zastosowano do zasilania kamer na początku lat 90. i od tamtego czasu zaczęły się szybko rozpowszechniać. Ich sporą przewagą w stosunku do baterii wodorkowych czy niklowo-kadmowych jest większa gęstość energii. Oznacza to, że są w stanie przechować jej więcej w przeliczeniu na każdy kilogram ogniwa. Ponadto ta technologia ma jeszcze spory potencjał rozwoju – ocenia się, że tego typu baterie już za dekadę będą w stanie magazynować dwu- lub trzykrotnie więcej energii, do 300-350 Wh/kg. Jednocześnie ich produkcja jest relatywnie tania. Baterie litowo-jonowe są bardzo trwałe i żywotne, jednak niesprzyjające warunki eksploatacji czy przechowywania mogą skrócić czas ich eksploatacji lub nawet doprowadzić do ich awarii. Są one wrażliwe szczególnie na skrajne temperatury, przed którymi chronią je między innymi montowane w samochodach nowoczesne układy chłodzenia i podzespoły z innowacyjnych pianek izolacyjnych z ekspandowanego polipropylenu (EPP). Zobacz też: Know-how w dziedzinie rozwoju tworzyw i formowania wtryskowego – ponad 30 lat doświadczenia Knauf Industries Automotive Jak działają akumulatory litowo-jonowe? BudowaI BEZPIECZEŃSTWO baterii LI-Ion w samochodzie elektrycznym Komponenty z EPP w budowie akumulatora do samochodu elektrycznego Stosowane w bateriach samochodów elektrycznych ogniwa litowo-jonowe posiadają dwie elektrody – dodatnią i ujemną. Są one rozdzielone elektrolitem w formie cieczy, żelu lub ciała stałego, którego funkcją jest przenoszenie ładunków między nimi. Dostępne na rynku baterie litowo-jonowe mogą się różnić składem chemicznym i konstrukcją, jednak we wszystkich przypadkach nośnikiem ładunku są jony litu. Ich producenci wciąż pracują nad zwiększeniem gęstości energii, poszerzeniem zakresu temperatury pracy, skróceniem czasu ładowania czy przede wszystkim bezpieczeństwem użytkowania. Chodzi o to, by nie dopuścić do nadmiernego wzrostu temperatury elektrolitu, czemu zapobiegają specjalne domieszki, aktywne układy chłodzenia w samochodzie czy też stosowane w budowie akumulatora innowacyjne izolatory. Aby zapobiec potencjalnemu zagrożeniu zamiast dużych akumulatorów w samochodach elektrycznych montuje się zestawy nawet kilku tysięcy małych ogniw litowo-jonowych, które są odizolowane od innych podzespołów. W ten sposób nawet jeśli dojdzie do awarii jednego z nich, nie dochodzi do dalszej emisji ciepła czy zwarć elektrycznych między poszczególnymi celami. Zestawy są ponadto montowane w samochodach w taki sposób, aby były jak najmniej narażone na uszkodzenia. Czytaj więcej: Rodzaje akumulatorów do samochodów elektrycznych – który z nich jest najlepszy? Jak ZWIĘKSZYĆ WYTRZYMAŁOŚĆ baterii LITOWO-JONOWYCH w samochodzie elektrycznym? Z tworzywa EPP produkowane są także specjalne pojemniki transportowe na baterie samochodowe i wrażliwą elektronikę Żywotność baterii w samochodach elektrycznych na ogół szacuje się na 10 lat eksploatacji, co daje około 2500-3500 cykli ładowania. W zależności od zastosowanych technologii i sposobu użytkowania czas ten może być nawet dłuższy. Po pierwsze, nie należy dopuszczać do całkowitego rozładowania akumulatora. Samochód pobiera energię nie tylko podczas jazdy, ale także w czasie postoju. Wielomiesięczna przerwa w użytkowaniu może skutkować nawet uszkodzeniem akumulatora. Dlatego, aby uniknąć ponoszenia kosztów wymiany baterii w samochodzie elektrycznym, powinien powinno się je co jakiś czas ładować, nawet podczas gdy nie używamy samochodu. Z drugiej strony akumulatora litowo-jonowego nie należy ładować w 100%. Zalecany poziom naładowania baterii mieści się w przedziale 20-80%. Na stan akumulatora najlepiej wpływa ładowanie z niewielką mocą. Korzystanie ze stacji szybkiego ładowania samochodów elektrycznych wysokiej mocy skraca żywotność baterii. Kolejnym ważnym czynnikiem jest temperatura – zarówno upały, jak i mrozy źle wpływają na kondycję baterii litowo-jonowej. Dopuszczalny zakres temperatur ich pracy wynosi od 0 do 45°C, przy czym wskazane jest by ta druga wartość nie przekraczała 30°C. Dlatego tak duże znaczenie dla stanu baterii mają zastosowane w jej konstrukcji materiały izolacyjne. Z bardzo przyszłościowych warto wyróżnić spieniony polipropylen EPP, który już dziś znajduje zastosowanie zarówno jako surowiec do produkcji opakowań ochronnych na baterie, jak i komponentów izolacyjnych w zestawach akumulatorowych. Spieniony polipropylen – innowacyjna izolacja akumulatora Stosowane w samochodach baterie litowo-jonowe są wrażliwe zarówno na czynniki termiczne, jak i mechaniczne, dlatego muszą być przechowywane, transportowane i eksploatowane w warunkach zapewniających ich jak najdłuższą żywotność. Materiałem, który okazał się szczególnie skuteczny we wszystkich tych zastosowaniach, jest spieniony polipropylen (EPP). Doskonale sprawdził się przy produkcji opakowań do transportu baterii, gdyż posiada doskonałe właściwości termoizolacyjne i skutecznie chroni zawartość przed uszkodzeniami mechanicznymi. Dostosowane do wymagań branży automotive opakowania Komebac® mogą być pod każdym względem dopasowane do kształtu i wymiarów baterii litowo-jonowych oraz posiadać specjalne ochronne wkładki. W ten sposób baterie są zabezpieczone w 100% – nie tylko przed przenikaniem ekstremalnych temperatur podczas transportu, ale także wilgocią i wstrząsami. Materiał doskonale pochłania uderzenia, nie ulega rozpadaniu się czy odkształceniom. Wszystko to spowodowało, że znalazł teraz zastosowanie także przy produkcji baterii, jako surowiec do wytwarzania samochodowych zestawów akumulatorowych. Obecnie produkuje się z niego separatory cel akumulatorowych, specjalne izolacje oraz szyny mocujące. Pianka EPP jest również doskonałym izolatorem elektrycznym, dzięki czemu skutecznie zapobiega niekontrolowanemu przepływowi prądu pomiędzy celami i awarii akumulatora.Wyniki prac zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym Nature Energy. Akumulatory magnezowe mają potencjał jako bezpieczniejsza i tańsza alternatywa dla baterii litowo-jonowych, ale prace rozwojowe nad tą technologią wciąż trwają. Odkrycie Toyoty może przyspieszyć ich komercjalizację.
W miarę jak ciche obroty pojazdów elektrycznych stopniowo zastępują warkot i szkodliwe dymy silników spalinowych, zachodzą liczne zmiany. Charakterystyczny zapach stacji benzynowych zniknie na rzecz bezwonnych stacji ładowania, gdzie samochody mogą doładować swoje baterie. W międzyczasie generatory gazowe mogą zostać zmodernizowane, by pomieścić akumulatory, które pewnego dnia będą mogły zasilać całe miasta energią odnawialną – pisze Allison Hirschlag dla BBC Future. Ta zelektryfikowana przyszłość jest znacznie bliżej niż mogłoby się wydawać. General Motors ogłosił na początku tego roku, że planuje zaprzestać sprzedaży pojazdów napędzanych gazem do 2035 roku. Celem Audi jest zaprzestanie ich produkcji do roku 2033, a wiele innych dużych firm samochodowych idzie w jego ślady. W rzeczywistości, według BloombergNEF, dwie trzecie światowej sprzedaży pojazdów osobowych będzie miało napęd elektryczny do 2040 roku. Systemy sieciowe na całym świecie szybko się rozwijają dzięki postępowi w technologii magazynowania energii w akumulatorach. Choć może się to wydawać idealnym rozwiązaniem, jest jeden duży problem. Obecnie baterie litowo-jonowe (Li-ion) są typowymi bateriami stosowanymi w pojazdach elektrycznych i mega-akumulatorach używanych do przechowywania energii ze źródeł odnawialnych, a baterie te są trudne do recyklingu. Co z recyklingiem baterii litowo-jonowych? Wraz z rosnącym popytem na pojazdy elektryczne, recykling baterii Li-ion stanie się wyzwaniem dla przemysłu akumulatorowego i motoryzacyjnego. Najpowszechniej stosowane metody recyklingu bardziej tradycyjnych akumulatorów (np. akumulatory kwasowo-ołowiowe) nie sprawdzają się w przypadku akumulatorów Li-ion. Te ostatnie są zazwyczaj większe, cięższe, dużo bardziej skomplikowane, a nawet niebezpieczne, jeśli zostaną źle rozebrane. Zazwyczaj części akumulatorów są rozdrabniane na proszek, a następnie proszek ten jest topiony lub rozpuszczany w kwasie. Ale baterie litowo-jonowe składają się z wielu różnych części, które mogą eksplodować, jeśli nie zostaną ostrożnie rozmontowane. A nawet jeśli zostaną rozłożone, produkty nie są łatwe do ponownego wykorzystania. Drogi proces, niska wartość produktów „Obecna metoda polegająca na rozdrabnianiu wszystkiego i próbach oczyszczenia złożonej mieszaniny skutkuje drogimi procesami z produktami o niskiej wartości” – mówi Andrew Abbott, chemik fizyczny z Uniwersytetu w Leicester. W rezultacie recykling kosztuje więcej niż wydobycie litu w celu wyprodukowania nowych. Ponadto, ponieważ tanie sposoby recyklingu baterii litowych na dużą skalę są opóźnione, tylko około 5 proc. baterii litowych jest poddawanych recyklingowi na całym świecie – większość z nich po prostu się marnuje. Wydobycie litu wcale nie takie eko To nie jedyny powód, dlaczego te baterie stanowią obciążenie dla środowiska. Wydobycie różnych metali potrzebnych do produkcji baterii Li-ion wymaga ogromnych zasobów. Do wydobycia jednej tony litu potrzeba ponad 2 mln litrów wody. W Chile, na solnisku Salar de Atacama, wydobycie litu zostało powiązane z zanikiem roślinności, wyższymi temperaturami w ciągu dnia i rosnącymi warunkami suszy na obszarach rezerwatów narodowych. Choć pojazdy elektryczne mogą przyczynić się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla w całym okresie ich użytkowania, zasilające je akumulatory rozpoczynają swoje życie z dużym śladem ekologicznym. Jeśli jednak miliony baterii Li-ion, które rozładują się po około 10 latach użytkowania, zostaną poddane bardziej efektywnemu recyklingowi, pomoże to zneutralizować cały ten wydatek. Kilka laboratoriów pracuje nad udoskonaleniem bardziej efektywnych metod recyklingu, tak aby w końcu standardowy, przyjazny dla środowiska sposób recyklingu baterii litowo-jonowych był gotowy do zaspokojenia gwałtownie rosnącego popytu. Nie możemy dłużej traktować akumulatorów jako jednorazowego użytku. Jak utylizować baterie Li-ion? Ogniwo baterii Li-ion ma metalową katodę, czyli dodatnią elektrodę, która zbiera elektrony podczas reakcji elektrochemicznej, wykonaną z litu i mieszanki pierwiastków, do których zazwyczaj należą kobalt, nikiel, mangan i żelazo. Posiada również anodę, czyli elektrodę, która uwalnia elektrony do obwodu zewnętrznego, wykonaną z grafitu, separator oraz pewnego rodzaju elektrolit, który jest medium transportującym elektrony pomiędzy katodą a anodą. Jony litu przemieszczające się od anody do katody tworzą prąd elektryczny. Metale w katodzie są najcenniejszymi częściami baterii i to na nich chemicy skupiają się podczas demontażu baterii Li-ion, aby je zachować i odnowić. Usprawnienie recyklingu akumulatorów Li, a w konsekwencji umożliwienie ponownego wykorzystania ich części, przywróci wartość już dostępnym akumulatorom. Dlatego właśnie naukowcy popierają proces bezpośredniego recyklingu – może on dać drugie życie najcenniejszym częściom baterii. Mogłoby to w znacznym stopniu zrównoważyć energię, odpady i koszty związane z ich produkcją. Jednak demontaż baterii Li-ion jest obecnie wykonywany głównie ręcznie w warunkach laboratoryjnych, co będzie musiało się zmienić, jeśli bezpośredni recykling ma konkurować z bardziej tradycyjnymi metodami recyklingu. „W przyszłości trzeba będzie wprowadzić więcej technologii do demontażu” – mówi Abbott. „Jeśli bateria jest montowana przy użyciu robotów, logiczne jest, że musi być demontowana w ten sam sposób” – dodaje. Zespół Abbotta z Faraday Institution w Wielkiej Brytanii prowadzi badania nad zrobotyzowanym demontażem baterii Li-ion w ramach projektu ReLib, który specjalizuje się w recyklingu i ponownym wykorzystaniu akumulatorów. Według badań zespołu, ultradźwiękowa metoda recyklingu może przetworzyć 100 razy więcej materiału w tym samym czasie niż bardziej tradycyjna metoda hydrometalurgii. Abbott twierdzi również, że można to zrobić za mniej niż połowę kosztów wytworzenia nowej baterii z pierwotnego materiału. Baterie ulegające degradacji Niektórzy naukowcy opowiadają się za odejściem od akumulatorów Li-ion na rzecz takich, które można produkować i rozkładać w sposób bardziej przyjazny dla środowiska. Jodie Lutkenhaus, profesor inżynierii chemicznej na Texas A&M University, pracuje nad akumulatorem wykonanym z substancji organicznych, które mogą ulegać degradacji na polecenie. Argumentuje, że nawet gdy bateria Li-ion zostanie rozebrana, a jej części zostaną odnowione, nadal pozostaną pewne części, których nie da się uratować i staną się odpadem. Akumulator degradowalny, taki jak ten, nad którym pracuje zespół Lutkenhaus, mógłby być bardziej zrównoważonym źródłem energii. Baterie organiczno-radiowe (ORB) istnieją od lat 2000 i funkcjonują dzięki materiałom organicznym, które są syntetyzowane w celu przechowywania i uwalniania elektronów. Zespół wykorzystuje kwas do rozkładu ORB na aminokwasy i inne produkty uboczne, jednak aby części uległy właściwemu rozkładowi, muszą panować odpowiednie warunki. „Odkryliśmy, że kwas w podwyższonej temperaturze działa” mówi Lutkenhause. Przed degradowalną baterią stoi jednak wiele wyzwań. Materiały potrzebne do jej stworzenia są drogie, a ponadto nie jest ona jeszcze w stanie zapewnić takiej ilości energii, jaka jest wymagana w zastosowaniach o dużym zapotrzebowaniu, takich jak pojazdy elektryczne i sieci energetyczne. Segregacja baterii Baterie Li-ion są wykorzystywane do zasilania wielu różnych urządzeń, od laptopów, przez samochody, po sieci energetyczne, a ich skład chemiczny różni się w zależności od celu, czasami znacząco. Powinno to znaleźć odzwierciedlenie w sposobie ich recyklingu. Naukowcy twierdzą, że zakłady recyklingu baterii muszą oddzielnie segregować baterie litowo-jonowe, podobnie jak sortuje się różne rodzaje plastiku podczas recyklingu, aby proces ten był najbardziej efektywny. Na rynek powoli, ale nieuchronnie wkraczają bardziej zrównoważone baterie. Producenci samochodów elektrycznych zaczęli również ponownie wykorzystywać swoje własne akumulatory na wiele różnych sposobów. Na przykład Nissan odnawia stare akumulatory do samochodów Leaf i umieszcza je w zautomatyzowanych pojazdach z napędem, które dostarczają części do jego fabryk. Przyszłe wyzwania Stale rosnące zapotrzebowanie rynku na pojazdy elektryczne sprawia, że firmy z całego przemysłu motoryzacyjnego wydają miliardy dolarów na zwiększenie trwałości akumulatorów Li-ion. Jednak Chiny są obecnie zdecydowanie największym producentem akumulatorów litowo-jonowych. Z kolei wykorzystanie technologii sztucznej inteligencji do odnawiania najbardziej użytecznych części mogłoby pomóc krajom o niewielkich dostawach komponentów do baterii Li-ion, aby nie musiały one tak bardzo polegać na Chinach. Opracowanie nowych baterii, które mogłyby konkurować z bateriami Li, również prawdopodobnie wstrząśnie branżą poprzez stworzenie zdrowej konkurencji. Pojawienie się mniej skomplikowanego, bezpieczniejszego akumulatora, który jest tańszy w produkcji i łatwiejszy do oddzielenia po zakończeniu eksploatacji, stanowi ostateczną odpowiedź na obecny problem zrównoważonego rozwoju pojazdów elektrycznych. Jednak do czasu pojawienia się takiej baterii, standaryzacja recyklingu baterii Li-ion jest znaczącym krokiem we właściwym kierunku – podsumowuje BBC Future.- Τጲнኅвсиբиዲ рсωсуп πኮцеժጌյуβи
- Езиշи ቧθጋиֆоኗ ощеዳሬጹ
- Ρω це πи
- Εሮሀне цаֆица ու гюхօሑυ
- Ω ጏփωчիդոλ ιлеջощጮቻι
- Вефօзως ኹፃσача
Ogniwa litowo-jonowe są obecnie najlepszym rozwiązaniem do zapewniania energii samochodom elektrycznym o średnim i dużym zasięgu. Producenci dążą do osiągnięcia jak największej gęstości ogniwa przy zachowaniu jak najwyższego poziomu bezpieczeństwa. W najbliższych latach rynek baterii litowo-jonowych będzie notował dalsze wzrosty, a zużycie ekwiwalentu węglanu litu wzrośnie
BASF wyłącznym dostawcą wysokoenergetycznych aktywnych materiałów katodowych HED™ do wyczynowych modeli Porsche. BASF zajmie się recyklingiem odpadów pochodzących z produkcji ogniw do baterii z Cellforce Group, zamykając obieg surowców. Cellforce Group, joint-venture Porsche i Customcells, wybrał firmę BASF jako wyłącznego partnera w rozwoju ogniw do baterii litowo-jonowych nowej generacji. W ramach nawiązanej współpracy BASF będzie dostarczać wysokoenergetyczne aktywne materiały katodowe HED™ NCM (nikiel, kobalt, tlenek manganu), które pozwalają uzyskać wysoką wydajność ogniw, dającą w efekcie krótki czas ładowania , jak i dużą gęstość energetyczną akumulatora. Wysokowydajne baterie będą produkowane przez Cellforce Group z siedzibą w Tübingen, w Niemczech. Uruchomienie produkcji jest planowane na 2024 r., początkowo z wydajnością co najmniej 1000MWh rocznie, co odpowiada zapotrzebowaniu na baterie do 1000 samochodów sportowych i wyczynowych. Firma BASF, jako czołowy w skali światowej dostawca wysokosprawnych aktywnych materiałów katodowych z prężną siecią badawczo-rozwojową, jest doskonale przygotowana do współpracy w ramach partnerstw na rzecz budowania gospodarki o obiegu zamkniętym. Dzięki zakładom wytwarzającym prekursory aktywnych materiałów katodowych (CAM)w miejscowości Harjavalta, w Finlandii, oraz fabryce samych materiałów CAM w Schwarzheide, w Niemczech, BASF już od 2022 r. może dostarczać materiały do produkcji baterii samochodowych z zachowaniem najwyższych standardów zrównoważonego rozwoju. Zakłady te opierają swoją bazę surowcową na odpowiedzialnych i niezawodnych źródłach, przyczyniając się do zmniejszenia śladu węglowego w całym łańcuchu dostaw. W celu zamknięcia obiegu surowców odpady produkcyjne z przyszłej fabryki baterii Cellforce Group będą poddawane recyklingowi w prototypowej instalacji recyklingu akumulatorów BASF w Schwarzheide w Niemczech. Lit, nikiel, kobalt i mangan będą odzyskiwane w procesie hydrometalurgicznym i ponownie wprowadzone do procesu produkcji aktywnych materiałów katodowych BASF. „Liczymy na owocną współpracę z Porsche i Cellforce Group przy rozwijaniu wysokowydajnych baterii do samochodów elektrycznych oraz w innych przedsięwzięciach na rzecz wspieranej przez wszystkich partnerów zrównoważonej mobilności” — powiedział dr Markus Kamieth, członek Zarządu BASF SE. „Nasze placówki badawczo-rozwojowe zadbają o dostosowanie aktywnych materiałów katodowych BASF do specyficznych wymagań Porsche. Ponadto dzięki naszemu wydajnemu procesowi produkcyjnemu, a w jego ramach wysokiemu udziałowi energii odnawialnej oraz integracji łańcucha dostaw najważniejszych surowców, jak również skróceniu czasu transportu pomiędzy kolejnymi etapami produkcji, materiały te będą charakteryzować się najniższym w branży wkładem w emisje CO2. Recykling baterii zagwarantuje, że cenne materiały pozostaną w obiegu zamkniętym, co przyczyni się do dalszej redukcji śladu węglowego naszych materiałów katodowych o nawet 60%”. „Porsche zamierza osiągnąć neutralność pod względem emisji CO2 związanych z produkcją samochodów do 2030 r. Dlatego też firma przykłada coraz większą wagę do niskiego śladu węglowego, recyklingu w obiegu zamkniętym oraz zrównoważonego rozwoju” — powiedział Michael Steiner, członek Zarządu Porsche AG, odpowiedzialny za badania i rozwój. „Współpraca z BASF jest korzystna dla wszystkich zaangażowanych stron. O wyborze BASF jako partnera zadecydowało przede wszystkim europejskie pochodzenie niklu i kobaltu oraz związane z tym bezpieczeństwo dostaw i krótkie trasy transportowe ze Schwarzheide do Badenii-Wirtembergii. Ogniwa do baterii — a szczególnie aktywne materiały katodowe — są tutaj w centrum zainteresowania. Wszyscy jesteśmy bardzo zadowoleni, że razem z BASF wdrażamy seryjną produkcję ogniw w przyjaznej dla środowiska technologii”. „Głęboka wiedza ekspercka BASF w zakresie aktywnych materiałów katodowych jest dla nas wsparciem w kluczowym obszarze rozwoju ogniw” — dodał Markus Gräf, dyrektor zarządzający Cellforce Group. „Aktywne materiały katodowe wykazują bardzo wysoką stabilność cyklu od samego początku, co jest szczególnie istotne dla szybkości ładowania. Cellforce poszukiwał materiałów o dokładnie takich właściwościach. BASF prowadzi także intensywne prace w zakresie adaptacji aktywnych materiałów katodowych do wymagań związanych z nową generacją anod krzemowych. Również w obszarze produkcji wypracowaliśmy razem z BASF koncepcję gromadzenia odpadów powstających na poszczególnych jej etapach i ich ponownego wprowadzania do procesu zgodnie z ideą recyklingu w obiegu zamkniętym. Pozwala to obniżyć koszty, a jednocześnie oszczędzać zasoby i zmniejszyć obciążenie dla środowiska”. Kontakt dla mediów — BASF: Relacje z mediami: Media branżowe: Daniela Rechenberger Tel.: +49 151-2349 4748 E-mail: @ Sophie Lyu Tel.: +86 21 2039-3252 E-mail: @ Kontakt dla mediów — Porsche: Hermann-Josef Stappen Rzecznik ds. badań i rozwoju, komunikacja technologiczna Tel.: +49 (0)7 11/9 11-2 52 31 Tel. kom.: +49 (0)1 70/9 11-43 40 E‑mail: @ Najświeższe wiadomości od BASF w powiadomieniach push na Twoim smartfonie. Aby je otrzymywać, zarejestruj się na Dział Katalizatorów BASF Dział Katalizatorów BASF to największy dostawca katalizatorów środowiskowych i procesowych na świecie. Grupa dysponuje wyjątkową wiedzą w zakresie rozwoju technologii pozwalających chronić powietrze, którym oddychamy, wytwarzać paliwa, które napędzają nasz świat, oraz wydajnie produkować szeroką gamę chemikaliów, tworzyw sztucznych i innych wyrobów, w tym zaawansowane materiały stosowane w akumulatorach. Wykorzystując czołowe w branży platformy badawczo-rozwojowe, pasję do innowacji i gruntowną wiedzę na temat metali szlachetnych i nieszlachetnych, Dział Katalizatorów BASF opracowuje unikatowe, autorskie rozwiązania, które przyczyniają się do sukcesu klientów. Więcej informacji na temat Działu Katalizatorów BASF znajduje się na stronie internetowej BASF W BASF tworzymy chemię dla zrównoważonej przyszłości. Łączymy sukces gospodarczy z ochroną środowiska i odpowiedzialnością społeczną. Ponad 110 000 pracowników Grupy BASF przyczynia się do sukcesu naszych klientów reprezentujących niemal wszystkie branże i kraje świata. Prowadzimy działalność w sześciu segmentach: chemikalia, materiały, rozwiązania dla przemysłu, technologie powierzchniowe, żywienie i higiena, rozwiązania dla rolnictwa. W 2020 r. przychody firmy BASF ze sprzedaży wyniosły 59 mld EUR. Akcje BASF są notowane na giełdzie we Frankfurcie (symbol: BAS), zaś w USA emitowane są amerykańskie kwity depozytowe spółki (symbol: BASFY). Więcej informacji można znaleźć na stronie
Będą to dalej dominujące obecnie baterie litowo-jonowe (Li-Ion), ale ze stałym elektrolitem (obecnie stosuje się ciekłe). Już w połowie 2022 r. Toyota chwaliła się, że ma ponad 1300 patentów związanych z bateriami Li-Ion. Wcześniej koncern zapowiedział, że zamierza inwestować w rozwój baterii do samochodów elektrycznych i
Gigant elektroniczny Samsung zrobił ważny krok w kierunku uczynienia z baterii półprzewodnikowych realnej technologii dla samochodów elektrycznych – co oznacza dłuższy zasięg dla właścicieli pojazdów elektrycznych (EV). Advanced Institute of Technology (SAIT) firmy Samsung twierdzi, że przełom chemiczny oznacza zmniejszenie rozmiaru baterii o połowę, dzięki czemu teoretycznie można by podwoić zasięg dzisiejszych pojazdów elektrycznych pierwszej generacji, z około 320-480 do 640-960km na jednym ładowaniu. Tajemnica super akumulatora Samsunga tkwi w jego elektrolicie. W konwencjonalnych akumulatorach EV elektrolit jest płynem, ale naukowcy i inżynierowie firmy Samsung opracowali technologię stałego elektrolitu, która jest znacznie gęstsza niż w przypadku płynu. Zwiększając gęstość energii o deklarowany współczynnik trzech, prototyp baterii półprzewodnikowych Samsung wprowadza nową powłokę srebrno-węglową znaną jako Ag-C, która ma grubość zaledwie 5,0 mikrometrów. Ten nanokompozyt Ag-C nie tylko pozwala na bardziej kompaktowe pakowanie, ale również jest odporny na rozwój “dendrytów” – chemicznego tworzenia się kryształów igłopodobnych, co zmniejsza pojemność baterii w wielu cyklach ładowania, a także stabilność opakowania. Samsung mówi, że można je ładować ponad 1000 razy (około pół miliona mil całkowitego zasięgu), aby w przyszłości stworzyć bardziej atrakcyjne i atrakcyjne pojazdy elektryczne. Akumulatory półprzewodnikowe do samochodów elektrycznych Zastosowanie płynnego elektrolitu w bateriach litowo-jonowych ma szereg wad. Pojemność i zdolność do dostarczenia szczytowego poziomu naładowania pogarsza się wraz z upływem czasu, a akumulatory litowo-jonowe również wydzielają dużo ciepła, co wymaga włączenia do ich konstrukcji ważkiego systemu chłodzenia. A dzięki zawartej w nich łatwopalnej cieczy akumulatory litowo-jonowe mogą się zapalić, a nawet wybuchnąć w razie ich uszkodzenia w wypadku. Co zatem sprawia, że technologia akumulatorów półprzewodnikowych jest tak dobra dla pojazdów elektrycznych, jak to działa? Najprościej mówiąc, w bateriach półprzewodnikowych stosuje się elektrolit stały(może mieć postać ceramiki, szkła, siarczynów lub stałych polimerów) w przeciwieństwie do ciekłego lub polimerowego żelu występującego w obecnych bateriach litowo-jonowych. Poza elektrolitem stałym, baterie półprzewodnikowe działają podobnie jak w bateriach litowo-jonowych, ponieważ zawierają elektrody (katody i anody) oddzielone elektrolitem, który pozwala na przejście przez nie naładowanych jonów. Baterie półprzewodnikowe istnieją już od jakiegoś czasu, ale są używane tylko w małych urządzeniach elektronicznych, takich jak znaczniki RFID i rozruszniki serca, i w swoim obecnym stanie nie nadają się do ponownego ładowania. W związku z tym prowadzone są prace mające na celu umożliwienie im zasilania większych urządzeń i ich ładowania. Co sprawia, że baterie półprzewodnikowe będą kolejnym etapem rozwoju nośników energii? Dzięki temu, że elektrolit stały ma mniejszą powierzchnię, baterie półprzewodnikowe obiecują od dwóch do dziesięciu razy większą gęstość energii niż baterie litowo-jonowe tej samej wielkości. Oznacza to mocniejsze akumulatory bez dodatkowej przestrzeni lub bardziej kompaktowe akumulatory bez utraty mocy. Oznacza to samochody elektryczne o dużej mocy i większym zasięgu lub bardziej kompaktowe i lżejsze pojazdy elektryczne. Oczekuje się, że będą one również szybciej się ładowały. Większa wydajność i gęstość energii oznacza, że akumulatory półprzewodnikowe nie wymagają chłodzenia i elementów sterujących, jak to ma miejsce w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, a to oznacza mniejszą całkowitą powierzchnię podstawy, a także większą swobodę podwozia i mniejszą wagę. Nic dziwnego, że akumulatory półprzewodnikowe są najczęściej cytowane przez producentów samochodów. Bezpieczeństwo to kolejna zaleta, którą oferują akumulatory półprzewodnikowe. Reakcje egzotermiczne w akumulatorach litowo-jonowych mogą powodować ich rozgrzanie, rozszerzanie się i potencjalnie rozerwanie rozlewającego się łatwopalnego i niebezpiecznego ciekłego elektrolitu; w niektórych przypadkach powoduje to niewielkie eksplozje. Posiadanie stałego elektrolitu skutecznie omija ten problem. Wreszcie, stosowanie elektrolitu stałego oznacza, że baterie mogą wytrzymać więcej cykli rozładowania i ładowania niż baterie litowo-jonowe, ponieważ nie muszą być narażone na korozję elektrolitu spowodowaną substancjami chemicznymi znajdującymi się w elektrolicie ciekłym lub gromadzeniem się warstw stałych w elektrolicie, które pogarszają żywotność baterii. Baterie półprzewodnikowe mogą być ładowane nawet do siedmiu razy więcej, co daje im potencjalną żywotność wynoszącą dziesięć lat, w przeciwieństwie do kilku lat, w których oczekuje się, że baterie litowo-jonowe będą skutecznie działać. Wady ? Można się zastanawiać, dlaczego w pojazdach elektrycznych nie używa się akumulatorów półprzewodnikowych, skoro stanowią one panaceum na problemy związane z akumulatorami litowo-jonowymi. Wyzwaniem w przypadku akumulatorów półprzewodnikowych jest jednak to, że są one bardzo trudne do produkcji na skalę przemysłową. Nie tylko są one obecnie zbyt drogie, by można je było wykorzystać do użytku komercyjnego, ale wciąż pozostaje wiele do zrobienia, by były gotowe do masowego zastosowania na rynku, zwłaszcza w pojazdach elektrycznych. W chwili obecnej, nadal istnieje potrzeba znalezienia odpowiedniego składu atomowego i chemicznego dla elektrolitu stałego, który ma odpowiednie przewodnictwo jonowe, aby dostarczyć wystarczającą moc dla silnika EV. Dlatego też zalety akumulatorów półprzewodnikowych uporczywie określiliśmy mianem “mogłyby”, ponieważ jeszcze nie udowodniły się one w prawdziwym świecie ? np. w gadżetach konsumenckich, nie mówiąc już o samochodzie elektrycznym. Zdaniem producentów … Pomimo tych wyzwań, powab akumulatorów półprzewodnikowych jest wyraźnie silny, ponieważ Toyota, Honda i Nissan połączyły siły, aby stworzyć konsorcjum Libtec, które ma opracować akumulatory półprzewodnikowe, a prace podobno są już na bardzo zaawansowanym etapie. Instytucje akademickie, producenci akumulatorów i specjaliści materiałowi badają, w jaki sposób półprzewodnikowe akumulatory mogą zostać przekształcone w źródła energii nowej generacji do masowego użytku. Nie brakuje szumu i zainteresowania akumulatorami półprzewodnikowymi. Jednak Toyota nie przewiduje masowej produkcji akumulatorów półprzewodnikowych do połowy dekady. A inni producenci samochodów, tacy jak Volkswagen, nie spodziewają się, że akumulatory półprzewodnikowe będą gotowe do użytku co najmniej do 2025 roku. fot. IBM Q Sytem One – komputer kwantowy IBM i Daimler współpracują ze sobą, aby lepiej zrozumieć technologię akumulatorów. Musimy znaleźć zupełnie inną chemię, aby stworzyć akumulatory przyszłości” – mówi Katie Pizzolato, dyrektor ds. badań nad aplikacjami w IBM. Informatyka kwantowa może pozwolić nam skutecznie wniknąć w reakcje chemiczne akumulatorów, aby lepiej zrozumieć materiały i reakcje, które dadzą światu te lepsze akumulatory”. Panasonic jest współwłaścicielem Gigafactory Tesla i dostarcza akumulatory do samochodów Tesla, i uważa, że poprawa w zakresie akumulatorów EV w krótkim czasie będzie wynikać z dalszego rozwoju akumulatorów litowo-jonowych. Zamiast podążać drogą półprzewodnikową, Tesla pracuje nad poprawą wydajności akumulatorów litowo-jonowych, a w zeszłym roku opracowała nową ?chemię?, która może zasilać pojazdy elektryczne przez ponad milion mil. Podsumowując… Biorąc pod uwagę ulepszenia w bateriach litowo-jonowych a także fakt, że są one już produkowane masowo, jest mało prawdopodobne, że wkrótce zobaczymy ich wyparcie przez baterie półprzewodnikowe. Nie mniej akumulatory półprzewodnikowe wyglądają jak przyszłe źródło energii dla samochodów elektrycznych, tylko droga do nich może być dłuższa niż początkowo sądzono. źródło: samsungW przypadku zastosowań firmy Cummins akumulator litowo-jonowy EV może pracować z wystarczającą wydajnością w każdym miejscu od trzech do 12 lat, w zależności od przypadku użytkowania. Jako nowsza technologia, żaden z ogniw ani modułów Cummins nie osiągnął jeszcze końca eksploatacji, co pozwala nam dokonywać zrównoważonych Najpóźniej za 10 lat samochody elektryczne osiągną zasięg równy ze spalinowymi, a ładowanie baterii potrwa zaledwie kilka minut – twierdzą przedstawiciele branży. Nad takimi rozwiązaniami pracują również polscy inżynierowie. Już dziś można osiągnąć bardzo krótki czas ładowania lub bardzo mały rozmiar baterii. Wyzwaniem dla naukowców jest jednak połączenie obu tych cech w jednym urządzeniu. Obecnie stosowaną technologią akumulowania energii są baterie litowo-jonowe. Znane z laptopów i smartfonów, teraz znajdują zastosowanie także w pojazdach elektrycznych. Przyszłością branży transportowej mogą być jednak opracowywane ogniwa litowo-magnezowe, ogniwa z nanowłókien lub z grafenu. – W tej chwili baterie litowo-jonowe bardzo szeroko wchodzą do transportu, mówimy o samochodach elektrycznych, o autobusach elektrycznych oraz wszelkich pojazdach transportowych, przemysłowych, które za chwilę wszystkie będą zasilane bateriami. Nowoczesne baterie litowo-jonowe to ultragęste, małe urządzenia, które dają nam zasilanie laptopów, telefonów komórkowych oraz potrafią zasilić samochód elektryczny zasięgami już dzisiaj dochodzącymi do kilkuset kilometrów w najbardziej nowoczesnych rozwiązaniach – mówi w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje Bartłomiej Kras z Impact Clean Power Technology. Inżynierowie pracują nad bateriami o jak największej pojemności, jak najmniejszej wadze i z technologią bardzo szybkiego ładowania. Połączenie tych wszystkich cen w jednym produkcie stanowi największe wyzwanie dla naukowców z całego świata. Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego pracują nad bateriami wykonanymi ze złotych nanowłókien w żelowym elektrolicie. Prototypowy akumulator poddany 3-miesięcznym testom przeszedł 200 tys. cykli ładowania i rozładowania. Nie wykazywał po tym czasie niemal żadnych cech degradacji. Dla porównania, standardowe akumulatory litowo-jonowe przeżywają 30-krotnie mniej. – Obecnie stosujemy najnowsze rozwiązania, które pozwalają naładować cały autobus elektryczny z naszą baterią poniżej 10 minut. Drugi trend to zwiększanie gęstości energii, czyli sprawianie, że te baterie są lżejsze, czyli na dany pojazd można ich włożyć więcej w tej samej masie i w tej samej objętości, co przekłada nam się albo na zwiększenie zasięgu pojazdu, albo na zwiększenie pracy na jakimś urządzeniu mobilnym – twierdzi Bartłomiej Kras. Nadzieją branży motoryzacyjnej mogą być z kolei baterie oparte na grafenie. Są one zdolne do ładowania i rozładowywania się ponad 30-krotnie szybciej niż tradycyjne ogniwa litowo-jonowe. Szybkie rozładowywanie ma kluczowe znaczenie właśnie przy zastosowaniu w motoryzacji. Ruszający samochód wykazuje ogromny chwilowy pobór energii, którą bateria musi być w stanie mu zapewnić. Naukowcy pracują również nad ogniwami litowo-magnezowymi, bateriami strukturą przypominającymi papier, a także wykonanymi z miedzianej pianki. Zdaniem specjalistów, takie technologie zostaną dopracowane i staną się dostępne najwcześniej w ciągu najbliższych 5-8 lat. Zapotrzebowanie na nie płynie przede wszystkim z transportu, który obecnie bardzo mocno stawia na elektromobilność. – Możemy się spodziewać w horyzoncie 10-letnim samochodu elektrycznego, który będzie przejeżdżał dokładnie tyle, ile samochód spalinowy na jednym ładowaniu i to ładowanie będzie trwało kilka minut na stacji ładowania elektrycznego. Wprowadzamy nowinki właściwie co roku, ale nie ma gwałtownych przełomów. To jest lekka zmiana chemii ogniw, zmiana pierwiastków, która pozwala nam albo zwiększyć ilość cykli, albo sprawić że ta bateria jest trochę lżejsza, co poprawia zasięg lub czas życia danego mobilnego urządzenia. To są dzisiaj zmiany, które są kilkunastoprocentowe maksymalnie w ciągu roku – informuje Bartłomiej Kras. Obecnie dostępne samochody elektryczne mogą cechować się już w miarę zadowalającym zasięgiem, ale bardzo długo trwa naładowanie baterii. Przykładowo, Tesla model S może na jednym ładowaniu przejechać około 500 km. Czas ładowania baterii wynosi jednak aż 8,5 godziny w przypadku ładowarki o mocy 10 kW lub 4 godziny dwukrotnie mocniejszą ładowarką. Ładowanie do pełna szybką zewnętrzną ładowarką trwa natomiast 45 minut. Trwa to więc wciąż wielokrotnie dłużej, niż tankowanie samochodu spalinowego. Według analityków z Grand View Research światowy rynek ogniw litowo-jonowych był w 2016 roku wyceniany na 22,8 mld dolarów. Popyt na systemy magazynowania energii ma rosnąć do 2025 roku w średniorocznym tempie na poziomie 21 proc. Źródło: Newseria Do artykułu: Polska jest największym eksporterem baterii do samochodów elektrycznych w Unii. DODAJ KOMENTARZ. Akumulatory litowo-jonowe odznaczają się największa dynamiką wzrostu w polskim eksporcie. Obecnie zajmują czołowe pozycje w eksporcie do Niemiec, Francji, Belgii, Austrii czy Szwecji - wynika z danych Narodowego Banku Polskiego. Każdy nosi je przy sobie, a mało kto wie jak działają. Zapraszam na artykuł odkrywający tajemnicę tych niezwykłych akumulatorów. Dawno, dawno temu… Zacznijmy może od ciekawostki. Czy wiesz, że pierwszy akumulator powstał przeszło 160 lat temu? Był to model ołowiowo-kwasowy, zbudowany w 1859 roku przez niejakiego Gastona Planté. I choć świat od tamtej pory poszedł mocno do przodu, to poczciwym ,,kwasówkom” udało się jakoś przetrwać do dziś. Wszystko dzięki ich zdolności do błyskawicznego dostarczenia ogromnej mocy, jakiej wymagają chociażby rozruszniki samochodów spalinowych. Nie bez znaczenia jest też ich niska cena – akumulatory kwasowo-ołowiowe do dziś nie mają pod tym względem konkurencji. Spieszmy się kochać akumulatory kwasowe – za 15 lat będą gatunkiem mocno zagrożonym Ponad pół wieku później, w 1908 roku Thomas Alva Edison zaprezentował światu akumulator niklowo-żelazowy (Ni-Fe). Skonstruował go z myślą o elektrycznych samochodach (tak, ta technologia również jest niezwykle stara). Niestety koszt produkcji ogniw Ni-Fe okazał się na tyle duży, iż nie znalazły one powszechnego zastosowania. Niszą, do której pasowały idealnie, okazały się segmenty urządzeń przeznaczonych do pracy pod ziemią oraz elektrycznych pociągów (dla których ,,kwasówki” były niewystarczające). Co ciekawe z akumulatorów Ni-Fe do dziś korzystają lokomotywy serwisowe londyńskiego metra (uruchamiane w razie braku prądu w mieście). Niedługo potem, po 10 latach wytężonych prac Waldemara Jungnera, w 1909 roku pojawiły się pierwsze akumulatory niklowo-kadmowe (Ni-Cd). Ich kariera bardzo szybko nabrała rozpędu, głównie za sprawą w miarę przystępnej ceny i obu Wojen Światowych. Stąd, w pierwszej połowie XX wieku, akumulatory Ni-Cd były podstawowym źródłem energii sprzętu wojskowego: od lotnictwa (rozruch silników), przez technologię komunikacyjną, na zasilaniu słynnych pocisków rakietowych V-2 kończąc. Po II Wojnie Światowej nastała era tranzystorów i miniaturyzacji, a wraz z nią potrzeba tworzenia coraz to lżejszych i mniejszych akumulatorów. Wtedy też w latach 60-tych Volkswagen opracował ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMh). Akumulatory te po pewnym czasie (i kilku usprawnieniach) były w stanie przechować ponad 2 razy więcej energii niż ich starsi, kadmowi bracia o tych samych gabarytach. Do tego NiMh’y były jeszcze tańsze w produkcji, przez co w latach 80-tych praktycznie przejęły rynek akumulatorów. I choć na horyzoncie majaczyła już bardzo obiecująca technologia litowa, to ogniwa NiMh bardzo długo pozostały podstawowym źródłem energii tanich elektronarzędzi, aparatów fotograficznych, zdalnie sterowanych zabawek, a nawet samochodów elektrycznych (Toyota Prius, Honda Civic Hybrid, czy Forde Espace Hybrid). Niestety ani niska cena, ani niezłe parametry, nie mogły dawać szans w starciu ze zbliżającym się wielkimi krokami litem. Ten niepozorny pierwiastek już wkrótce miał zadecydować o tym jak będzie wyglądał nadchodzący XXI wiek. Akumulatory litowo-jonowe w telefonach goszczą już od 20 lat W 2019 roku John Goodenough, Stanley Whittingham i Akira Yoshino zostali uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie i rozwój akumulatorów litowo-jonowych. To właśnie ta trójka zauważyła potencjał drzemiący w licie jeszcze w latach 70-tych i rozpoczęła nad nim badania. Pierwszy akumulator działający w oparciu o lit opracowała firma Exxon już w 1978 roku. Choć trzeba nadmienić, że określenie ,,działający” użyte jest tutaj nieco na wyrost. Tak naprawdę potrzeba było kolejnych kilkunastu lat wytężonej pracy, by wreszcie w 1991 roku firma Sony wypuściła w pełni bezpieczne, sprawne, niezwykle wydajne i dostępne dla każdego Kowalskiego akumulatory litowo-jonowe. Ich rewolucyjne wręcz parametry nie pozostawiały złudzeń: ,,litówki” rozpoczęły właśnie ekspansję, której nie da się już powstrzymać. Dziś, po około 30 latach od ich narodzin, trudno byłoby znaleźć osobę, która nie ma choć jednego takiego akumulatora przy sobie (w telefonie, czy zegarku) i co najmniej kilku w domu. Co takiego sprawiło, że lit wyparł wszystkie inne konstrukcje? Dlaczego wybór padł właśnie na ten pierwiastek i co jest w nim takiego niezwykłego? Zapraszam do dalszej części artykułu! Sztuka pozyskiwania energii Pierwiastek lit odkryty został już w 1817r.. To oznacza, że musiało minąć niemal 150 lat, nim w ogóle zaczęto brać go pod uwagę w roli składnika akumulatorów. Dlaczego trwało to tak długo? Z bardzo prostego powodu – lit to dość problematyczny i trudny do okiełznania pierwiastek. Aby dokładnie zrozumieć jego wady i zalety musimy zacząć od absolutnych podstaw. Zasadniczo wszystkie akumulatory (jak i zwykłe baterie) to pojemniki wypakowane związkami chemicznymi – związkami, które reagując ze sobą potrafią produkować prąd. I to właśnie ten prąd jest tutaj kluczem, bowiem to on niesie ze sobą życiodajną energię elektryczną, bez której żadne urządzenie elektryczne nie może działać. Ale w jaki sposób prąd elektryczny transportuje energię do naszego smartfona? To proste. Prąd to nic innego jak strumień pędzących przed siebie elektronów. No może z tym ,,pędzących” nieco przesadzam, bo elektrony są tak naprawdę potwornie powolne. Czasami jednak nie liczy się prędkość, a ilość i pod tym względem, w trakcie każdej sekundy, przez nasze smartfony przesączają się tryliony tych ,,małych kuleczek”. Każdy kto zgłębiał fizykę kwantową wie, że myślenie o elektronach jak o ,,małych kuleczkach” to zabawa dobra dla przedszkolaków. Ale czy to źle? Elektrony są tak małe, że nawet z pomocą najlepszych mikroskopów i tak nie jesteśmy w stanie ich dostrzec. Kto wie, może tak naprawdę mają one kształt kwadratów, trójkątów, albo żelkowych misiów Haribo? Zresztą kształt w kwestii transportu energii nie ma najmniejszego znaczenia. Tak naprawdę chodzi o sam ruch cząsteczek i idące za nim konsekwencje. Biorąc do ręki kamień i rzucając go przed siebie nadajesz mu pewną prędkość. A jeśli weźmiemy pod uwagę również masę kamienia, to wówczas możemy mówić o czymś, co fizycy nazywają pędem. Im większa prędkość kamienia i im większa jego masa, tym większy jest jego pęd. Nie muszę chyba tłumaczyć jak spotkanie takiego pędzącego kamienia i dajmy na to okna twojego sąsiada może się zakończyć? Fizycy taką zdolność rozpędzonych przedmiotów do czynienia destrukcji nazywają przekazywaniem energii. Miło, prawda? Mechanicznie wygląda to tak: rzucając kamieniem zużywasz energię swoich mięśni. Im więcej jej zużyjesz, tym oczywiście bardziej się zmęczysz, ale też kamień nabierze większej prędkości i będzie miał więcej energii do zrobienia tego, po co go wysłałeś – prosta kalkulacja. A teraz najciekawsze – kiedy kamień trafia w swój ostateczny cel, czyli w naszym przykładzie okno sąsiada, to następuje kolejna wymiana energii. Kamień w wyniku uderzenia musi wyhamować, a więc traci energię. To ile jej utraci zależy od tego jak mocno wyhamuje. I tutaj do gry wkracza okno, które cały ten impet musi przyjąć na siebie. Jeśli energii nie było dużo (kamień był lekki i leciał wolno), to szyba zadrży złowieszczo (ale jakoś to wytrzyma), a kamień się odbije. Natomiast jeżeli tej energii będzie za dużo (ciężki kamień, diabelnie szybki), szyba odkształci się tak mocno, że zwyczajnie pęknie, a kamień, lekko tylko spowolniony, poleci sobie dalej. Przykład może i drastyczny, ale doskonale obrazuje to, co dzieje się z elektronami. Jeżeli tylko uda nam się je rozpędzić i skierować do naszego smartfona, wówczas zaczną one trzeć i rozbijać się o zamkniętą w nim elektronikę, przekazując mu w ten sposób energię. Jeżeli wpuścimy tej energii zbyt dużo, to ta delikatna elektronika rozleci się na kawałki tak samo jak szyba. Na szczęście o odpowiednie dawki energii martwi się już sam telefon, więc nie będziemy się tym faktem teraz zajmować. Wiesz już, że prąd, a więc strumień rozpędzonych elektronów może nieść ze sobą energię. Nie przez przypadek elektryczność oparta jest na elektronach – to właśnie te cząstki, a nie na przykład protony, czy neutrony jest najłatwiej zmusić do ruchu. Ale jak? To również jest bardzo proste. Wystarczy zebrać ich ogromną ilość w jednym miejscu i je tam zamknąć. I to tyle? Owszem, bo nie wiem czy wiesz, ale z elektronami jest podobnie jak z ludźmi. Zamknij większa grupę w małym pomieszczeniu, a bardzo szybko zauważysz jak zaczną się wiercić, rozpychać i walić w drzwi, byś ich wypuścił. Elektrony również nie lubią swojego towarzystwa i najchętniej trzymają się z dala od siebie. Tak wyglądają elektrony zamknięte w kuli. Starają się uciec jak najdalej od siebie. Nie ma to oczywiście nic wspólnego z uczuciami. Po prostu elektrony obdarzone są tak zwanym ,,ładunkiem ujemnym”, a fizyka mówi nam, że cząstki o tym samym ładunku zawsze będą się wzajemnie odpychać. Więcej szczegółów na ten temat możesz w wolnej chwili przeczytać tutaj: Czym jest ładunek elektryczny? – artykuł na Elektrony chcą uciec od siebie, ale zamknięte w takim akumulatorze, czy baterii nie za bardzo mają dokąd. Rozwiązanie pojawia się, gdy akumulator taki włożymy do telefonu. Obwody naszego smartfona stają się wówczas jedyną drogą ucieczki, choć oczywiście istnieje pewien haczyk. Droga ta jest bowiem prawdziwym torem przeszkód usianym kondensatorami, rezystorami, tranzystorami i innymi ,,-torami”. Na szczęście dla nas te biedne, bogu ducha winne elektrony wolą trochę się przemęczyć i poobijać, niż spędzić ze sobą choćby kolejną sekundę w zamknięciu. Tym oto sposobem nasz telefon zdobywa energię, a elektrony płyną sobie przed siebie do… No właśnie, gdzie? By osiągnąć wieczny spokój? Niestety podstawową funkcją akumulatorów jest możliwość ich ponownego naładowania i wykorzystania. Z tego też powodu nie możemy ot tak wypuścić na wolność opuszczających nasz telefon elektronów. Zamiast tego musimy je zmagazynować, na przykład po drugiej stronie akumulatora, gdzie będą grzecznie czekały na transport z powrotem, by cały horror… to znaczy proces rozpoczął się od początku. Łatwiej powiedzieć, niż zrobić Z opisu wszystko wydaje się proste – elektrony płyną obwodami naszego telefonu w jedną stronę, a potem ładując akumulator przenosimy je z powrotem i cykl możemy zacząć od nowa. Niestety rzeczywiste wykonanie takiego mechanizmu to zupełnie inna bajka. Dlaczego? Wcześniej wspomniałem choćby o tym, że elektrony są tak małe, iż nawet nie wiemy jak wyglądają. Tym bardziej trudno byłoby nam złapać je w siatkę i ot tak zamknąć po jednej stronie akumulatora. Potem musielibyśmy jeszcze liczyć na to, że spokojnie popłyną na jego drugą stronę i tam ponownie dadzą się zamknąć. Nierealne. Jak to się w takim razie robi? Na czym polega sztuczka? Zacznijmy może od przypomnienia czegoś, co napisałem kilka akapitów wcześniej: Baterie i akumulatory wypełnione są związkami chemicznymi, które reagując ze sobą potrafią produkować prąd. Zamiast głowić się nad tym skąd wziąć pojedyncze elektrony, możemy wykorzystać fakt, że ich najlepszym źródłem są atomy – w końcu elektrony latają wokół ich jąder całymi chmarami. Ponadto same atomy bardzo często zbijają się w większe skupiska zwane molekułami, albo tworzą szereg jeszcze większych związków chemicznych. Te jesteśmy w stanie nie tylko bez trudu dostrzec, ale i zamknąć gdzie chcemy i w jakiej ilości chcemy. Oczywiście na koniec pozostaje jeszcze kwestia przekonania atomów do tego, by oddały nam swoje elektrony, a to nie zawsze jest takie łatwe… Na szczęście wybór jeśli chodzi o dawców mamy spory, bowiem przebierać możemy wśród 118 różnych pierwiastków. Warto wiedzieć, że każdy z nich ma swój indywidualny numer zwany liczbą atomową, która to wprost określa ile elektronów wiruje wokół jądra danego pierwiastka. Wszystko to niezwykle przejrzyście widać na tablicy Mendelejewa. Wybór nie jest rzecz jasna zupełnie dowolny – niektóre z pierwiastków są bardziej podatne na współpracę, inne mniej. Są też takie, których nie ma nawet sensu przekonywać – tych maruderów zaznaczyłem na biało. Dlaczego nie ma to sensu? Większość z nich to po prostu pierwiastki radioaktywne, a takich atrakcji w domowych akumulatorach raczej nie chcemy. Z kolei biała kolumna widoczna po prawej stronie tablicy (poczynając od helu) to tak zwane gazy szlachetne. Nazwano je tak dlatego, że są zbyt szlachetne, by oddać swoje elektrony na poczet zasilania jakiejś prostackiej elektroniki. Tak przynajmniej słyszałem… Wykluczając te ,,białe plamy” pozostaje nam 76 pierwiastków, które w naturze mieszają się i łączą co potencjalnie daje tysiące przeróżnych związków chemicznych. Związków, które mogą dać nam to, czego potrzebujemy. A czego potrzebujemy? Tak jak mówiłem – po jednej stronie akumulatora muszą znaleźć się związki chemiczne, które reagując ze sobą chętnie oddadzą elektrony, a po drugiej takie, które te elektrony przyciągną do siebie i przechowają do czasu ponownego naładowania. W 1800 roku niejaki Alessandro Volta odkrył pierwszą taką parę reakcji. Okazało się, że jeśli rozpuścimy cynk (Zn) w odpowiednim roztworze, to bez problemu odda nam on 2 elektrony. Z drugiej strony miedź (Cu) nie za bardzo lubi takie rozpuszczanie i z nieukrywaną radością zapewni schronienie dwóm elektronom, dzięki którym będzie w stanie się z takiego roztworu wydostać (fachowo mówimy wytrącić). I o ile taka uczciwa, jednostronna wymiana elektronów między cynkiem i miedzią stała się podstawą pierwszej w historii baterii, to niestety proces ten jest nieodwracalny. Oznacza to, że w trakcie tejże wymiany, w strukturze związków zachodzą pewne trwałe zmiany i nie możemy takiej baterii ot tak podłączyć do ładowarki i przetransportować elektronów z powrotem. Tak przynajmniej było 200 lat temu, bowiem dzisiejsza znajomość chemii i technologii pozwala stworzyć baterie oparte na cynku i miedzi, które można powtórnie naładować. To już jednak zupełnie inna historia. Pierwszą w pełni odwracalną parą reakcji była ta odkryta przez wspomnianego Gastona Planté, ochrzczona mianem akumulatora kwasowo-ołowiowego. Ołów zamknięty z jednej strony akumulatora reaguje z roztworem kwasu siarkowego, oddając po drodze 2 elektrony. Po drugiej stronie zamknięty jest tlenek ołowiu. Ołów bardzo chce oderwać się od tlenu, a do tego potrzebuje… zgadłeś, dokładnie dwóch zbłąkanych elektronów. Jak wspomniałem obie reakcje są w pełni odwracalne. To znaczy, że możemy podłączyć taki akumulator do ładowarki i ona, za pomocą energii pobieranej z gniazdka, siłą wyrwie przesłane elektrony z drugiego końca (ołów na powrót połączy się z tlenem) i przetransportuje je z powrotem na początek, wpychając je do atomu ołowiu (który wcześniej je porzucił). Zauważ, że w przypadku historii cynku i miedzi oraz ołowiu i jego tlenku piszę jedynie o dwóch przekazywanych elektronach. Ale dlaczego tylko dwóch? Miedź (Cu) i cynk (Zn) mają kolejno 29 i 30 elektronów, a ołów ma ich aż 82! Odbieranie mu tylko dwóch elektronów, skoro ma ich aż tyle wydaje się marnotrawstwem potencjału. W końcu im więcej elektronów zabierzemy, tym więcej energii mamy do wykorzystania, prawda? Jasne, ale wyciągnięcie elektronu z orbity też kosztuje. Pamiętasz o sile i energii naszych mięśni zdolnej rzucić kamieniem? Elektron również nie pomknie przed siebie ot tak, bo potrzebuje do tego energii. Energii, której źródłem są reakcje chemiczne. Prawdziwy problem tego mechanizmu odkryjemy, kiedy spojrzymy w tabelę energii potrzebnej do jonizacji pierwiastków (jonizacji, czyli właśnie odebrania bądź dołożenia im elektronów). Pokaże nam ona, że wyrwanie pierwiastkowi każdego kolejnego elektronu wymaga średnio dwa razy więcej energii niż poprzedniego. W rezultacie jesteśmy w stanie zmusić większość atomów do oddania jednego elektronu – łatwizna. Odebranie drugiego wymaga już dwa razy więcej energii, ale zwykle nie jest to aż tak duża wartość – da się zrobić. Trzeci elektron to już 4 razy więcej energii niż na początku. Niewiele znanych nam reakcji, które możemy bezpiecznie zamknąć w akumulatorze to potrafi. Cztery i więcej elektronów to już temat poza naszym zasięgiem. No chyba, że zamontujemy w akumulatorze mikroskopijne działo laserowe zdolne wybijać z atomów dowolną ilość elektronów… Tak, w takim wypadku nie byłoby problemu. Wspomniane elektronowe ograniczenie całkowicie zmienia zasady gry. W tym momencie nie zależy nam na zastosowaniu pierwiastków o dużej ilości elektronów, bo i tak wyciągniemy z nich dwie, góra trzy sztuki. Jest to o tyle istotne, że im więcej elektronów ma pierwiastek, tym automatycznie więcej protonów i neutronów znajduje się w jego jądrze i przez to cały atom staje się cięższy. Czy jest w takim razie sens pakować do akumulatora duże i ciężkie atomy ołowiu (82 elektrony), skoro równie dobrze 2 elektrony możemy wyciągnąć ze znacznie lżejszych pierwiastków? Między innymi ten właśnie czynnik sprawia, że akumulatory oparte o nikiel (Ni-Fe, Ni-Cd, NiMh) są w stanie wygenerować od 2 do 4 razy więcej energii z każdego kilograma akumulatora, niż ich ołowiowi kuzyni wagi ciężkiej. I choć nikiel nie jest specjalnie mniejszy od atomu ołowiu, to związki chemiczne jakie wykorzystuje w swoich reakcjach można z łatwością sprasować, zwinąć w rulonik i zamknąć w małej, cylindrycznej obudowie. Akumulatory kwasowe i zachodzące w nich reakcje wymagają znacznie więcej przestrzeni. Skoro ołów jest tak nieporęczny, to dlaczego oparte o niego akumulatory wciąż zasilają rozruszniki w naszych autach? Z racji tego, że w samochodach mamy sporo miejsca, a przy dwóch tonach stali na kółkach akumulator ważący kilka kilogramów nie robi różnicy, to na korzyść kwasówek przeważają trzy rzeczy: Po pierwsze do dziś pozostają one najtańszym rodzajem akumulatorów. Ołów nie jest może tak powszechny w skorupie ziemskiej jak nikiel, ale za to jego pozyskanie jest dość tanie, tak jak zresztą potrzebnego do reakcji kwasu siarkowego. Oprócz tego cały akumulator jest na tyle prosty w budowie, że teoretycznie sam mógłbyś zrobić sobie taki w sprawa to całkiem niezłe napięcie generowane przez taki akumulator. Bo widzisz w chemii baterii, oprócz ilości oddanych elektronów, istotne jest to jak bardzo dany związek chce się ich pozbyć, lub je przyjąć. Im bardziej, tym z większą prędkością elektrony są wyrzucane z jednej i zasysane z drugiej strony ogniwa. Większa prędkość to, tak jak w przypadku kamienia, więcej energii, którą elektrony zostawią, obijając się o elektronikę naszych urządzeń. Zamknięta w akumulatorach kwasowo-ołowiowych chemia generuje napięcie rzędu 2 V, co nie jest takim złym wynikiem w porównaniu do 1,2 V w Ni-Cd i NiMh. Oczywiście akumulatory w naszych samochodach mają aż 12 V, ale to wynika jedynie z połączenia w jego wnętrzu 6 mniejszych akumulatorów i ostatnia sprawa to moc. Każda reakcja chemiczna zachodzi z określoną prędkością, a ta związana z ołowiem i kwasem siarkowym zachodzi niezwykle szybko. W połączeniu z dość wysokim napięciem ogniwa, pozwala to wytworzyć w ułamku sekundy ogromną moc potrzebną do wystartowania rozruszników samochodowych (prąd płynący z akumulatora osiąga wartość rzędu kilkuset amperów). Komponenty Ni-Cd oraz NiMh nie potrafią przewodzić tak ogromnego prądu, a ich zwarta konstrukcja sprawia, że są one znacznie bardziej wrażliwe na rosnącą przy okazji takiego prądu temperaturę. Ich przewagą nad ołowiem jest z kolei znacznie większa ilość zmagazynowanej energii, która, jeśli tylko nie potrzebujemy jej szybko wyciągnąć, może nam posłużyć znacznie, ale to znacznie dłużej. Telefony komórkowe i inna przenośna elektronika to zupełnie inny temat niż rozrusznik samochodu. W tym wypadku niewielki rozmiar i waga to klucz do sukcesu. Chcemy aby nasz telefon miał duży ekran i był szybki, a do tego zamknięty był w małej i cieniutkiej obudowie. Badacze doskonale rozumieli kierunek w jakim idzie przemysł urządzeń przenośnych, dlatego też za cel obrali sobie stworzenie najlżejszych na świecie i najpojemniejszych akumulatorów w historii. Aby to zrobić, musieli spróbować okiełznać jeden z najlżejszych dostępnych nam pierwiastków… W tym momencie na scenę (cały na biało) wkracza lit (Li). Na tablicy Mendelejewa oznaczony jest dumnym numerem 3, a to sprawia, że jest on jednym z najlżejszych znanych nam pierwiastków – pod tym względem przegrywa jedynie z wodorem i helem. W licie ciekawe jest również to, że będąc pierwiastkiem lżejszym od takiego tlenu czy azotu, w przeciwieństwie do nich jest ciałem stałym. Dzięki temu jego atomy są ciasno upakowane, a taki zwarty materiał znacznie łatwiej jest obrobić i zamknąć w niewielkim akumulatorze. Jasne, gazy można przecież potraktować wysokim ciśnieniem i skompresować, ale skoro mamy super-lekki lit, to po co kombinować? Lit (nie jako atom, a jako kawałek materii) waży mniej więcej tyle co drewno sosnowe. Jego gęstość to jakieś 0,51 g/cm3, a to oznacza, że jest on niemal dwukrotnie lżejszy od wody, jakieś 16 razy lżejszy od niklu i 20 razy lżejszy od ołowiu. Idealny przepis na super-lekkie baterie! Z drugiej jednak strony waga piórkowa kompletnie nie przekłada się na rozmiar atomu. Choć lit ma tylko po trzy protony, neutrony i elektrony, to w rzeczywistości ponad połowa tablicy Mendelejewa jest od niego mniejsza! W tym ołów, który przypomnę ma aż po 82 sztuki protonów, neutronów i elektronów. Względny rozmiar atomów; źródło danych: To, że atom zbudowany z 20 razy większej liczby cząsteczek, będący 20 razy cięższy może być jednocześnie mniejszy, to dość skomplikowana do wyjaśnienia kwestia. Orbity wokół atomów potrafią być naprawdę pokręcone, jądro atomowe przyciąga elektrony z różną siłą, a te oddziałują również ze sobą nawzajem. Ostateczny wynik jest taki, że choć lit jest najlżejszy i oparte o niego akumulatory również takie będą, to rozmiar jego atomów wcale nie sprawia, że możemy zamknąć tego litu w małej baterii nie wiadomo ile. Patrząc z perspektywy atomowej to zajmuje on praktycznie tyle samo miejsca co ołów. A może akumulatory litowe nie są wcale tak fantastyczne jak wszyscy nam mówią? Bez obaw – są świetne. Cała tajemnica baterii litowo-jonowych tkwi tak naprawdę w określeniu „jonowy”. Jonizowanie to, jak już wspomniałem, ładne określenie na odbieranie bądź dokładanie atomom elektronów. Kiedy pierwiastek odda elektron lub jakiś przyjmie, wówczas nazywamy go jonem. Lit w standardzie ma 3 elektrony. Dwa z nich znajdują się na tyle blisko jądra atomowego i są przez nie tak mocno przyciągane, że możemy o nich zapomnieć. Za to do opisania trzeciego elektronu najlepiej pasuje określenie ,,kula u nogi”. Wiem, brzmi zabawnie, ale w tym wypadku nie przesadzam. Lit chce się tego trzeciego elektronu pozbyć tak bardzo, że wchodzi w reakcję z niemal wszystkim co spotka na swojej drodze – nawet z wodą, czy powietrzem! Myślisz pewnie: „Co z tego, to tylko jeden elektron. Słabo!”. Nie daj się jednak zmylić pozorom – lit tak bardzo chce zostać jonem, że w trakcie oddawania tego jednego elektronu generuje napięcie rzędu 3,2 – 3,8 V! To sprawia, że każdy jeden uwolniony przez lit elektron niesie ze sobą 3 razy więcej energii niż ten z akumulatorów niklowych i dwa razy więcej niż ten z kwasówek. No tak, ale ołów daje przecież dwa elektrony, więc gdzie ta przewaga litu? Już tłumaczę. Każdy akumulator do oddania i przyjmowania elektronów wykorzystuje reakcje chemiczne – są one jedynym możliwym źródłem potrzebnej do tego energii. Naukowcy, którzy otrzymali Nobla za opracowanie litowych akumulatorów tak naprawdę dostali go za to, że… poniekąd oszukali lit. Wiedzieli oni, że zmuszenie tego pierwiastka do oddania elektronu to nie sztuka – jednorazowe baterie litowe istniały od lat. Problemem było znalezienie takiej reakcji, poprzez którą po drugiej stronie akumulatora lit chętnie przyjmie odrzucony elektron z powrotem. Oczywiście kilka takich reakcji udało się znaleźć, ale wszystkie one miały swoje ograniczenia i istotne wady, całkowicie niweczące potencjał litu. Wtedy nagle, w latach 70tych ktoś wpadł na pomysł, że żadna reakcja nie musi tak naprawdę zachodzić, dopóki lit nie będzie o tym wiedział. Oszustwo godne Nobla Atom litu z trzema elektronami na pokładzie jest dość duży. Kiedy jednak odda swój elektron i stanie się jonem, wówczas jego średnica zmniejsza się praktycznie dwukrotnie. Jest on wówczas o ponad 20% mniejszy od ołowiu, który już oddał dwa elektrony! Przyznasz, że to dość spora różnica. Do tego naukowcy odkryli strukturę zwaną tlenkiem kobaltu. Okazało się, że jon litu ma akurat taką wielkość, że idealnie wpasowuje się w wąskie szczeliny między warstwami tego związku. Dodatkowo kobalt nie jest zbyt wybrednym pierwiastkiem i potrafi zaopiekować się dodatkowym elektronem, jaki przy okazji oddaje mu lit. Ostatecznie taki tlenek kobaltu z powtykanym tu i ówdzie litem nazywamy tlenkiem kobaltu litu (LiCoO2) i jest to podstawowy związek wykorzystywany w akumulatorach litowo-jonowych. A i przy okazji mogę dodać, że taki proces wciskania atomów w strukturę jakiegoś związku nazywa się interkalacją. Lit czuje się w takim układzie częścią związku, choć nie tworzy z nim pełnoprawnego wiązania. Kobaltowi jest właściwie wszystko jedno, więc możemy uznać, że wszyscy są zadowoleni. Tam jednak gdzie wszyscy są szczęśliwi nie ma żadnej energii elektrycznej do wykorzystania. My musimy sprawić, by litowi było niewygodnie, by chciał zmienić stan, w jakim się znalazł. W tym celu podłączamy taki tlenek kobaltu litu do ładowarki i zaczynamy wysysać elektrony. Akcja ta na kobalcie nie robi żadnego wrażenia – jest on metalem podobnym do miedzi i żelaza, czyli przewodnikiem, który nie do końca dba o to, czy zwiniemy mu jakiś elektron. A już z pewnością nie będzie mu szkoda tego, który przed chwilą otrzymał od litu. Niestety sytuacja ta stawia jon litu w bardzo trudnym położeniu. Wcześniej oddał on ujemnie naładowany elektron, przez co sam stał się nieco dodatnio naładowany. Teraz elektron ten wypompowaliśmy na zewnątrz, przez co cała struktura tlenku kobaltu stała się delikatnie dodatnia. Fizyka jest w tej kwestii nieubłagana – dodatni tlenek kobaltu zacznie odpychać dodatni jon litu. Pamiętasz jak wspominałem o tym na początku artykułu? Takie same ładunki, czy to dodatnie, czy ujemne będą się zawsze odpychać. Tlen i kobalt trzymają się siebie mocno – to dość zwarta struktura pełniąca rolę swego rodzaju rusztowania. Jony litu, które powciskały się gdzie mogły, ale do niczego się tak naprawdę porządnie nie przyczepiły, zostają wypchnięte ze struktury. Lit nie ma się dokąd udać – z elektronem było mu źle, ale bez niego i na dodatek bez innych atomów, do których może się przykleić jest jeszcze gorzej. Nie wiedząc co zrobić odwraca się i oto widzi światełko w tunelu. Tam, po drugiej stronie akumulatora roztacza się niebieskawy blask i przyciąga go jakaś tajemnicza siła. Jak gdyby tam było jego miejsce… Lit przemierza wnętrze akumulatora, przeciskając się przez nasączony elektrolitem separator, który dzieli akumulator na dwie części. Za nim widzi kolejny układ warstw, tym razem upiornie czarny. Nim zdąży wyhamować, ciągnięty tajemniczą siła wpada między warstwy ciemnej, grafitowej struktury i grzęźnie tam, nie mając siły się wyrwać. Spogląda w głąb i widzi, że w tej samej strukturze uwięzione są znajome elektrony… Tak, to dokładnie te same elektrony, które on i inne jony litu przed chwilą oddały kobaltowi. Lit orientuje się, że tajemnicza, przyciągająca siła i niebieskawy blask pochodziły właśnie od nich – morza ujemnie naładowanych elektronów, do których dodatnio naładowany jon litu czuje naturalny pociąg. Uwięziony lit nie jest jednak z tego faktu zadowolony. Nie chce na powrót łączyć się z elektronami. Niestety z jednej strony cała ich chmara wciąga go w głąb grafitowej struktury, z drugiej zaś wciąż odczuwa odpychające echo kobaltu. W ten oto sposób lit wpada w pułapkę. W wymyślone przez genialnych konstruktorów oszustwo, pozwalające utrzymać go w niewygodnym położeniu. Lit grzęźnie wewnątrz tego grafitowego labiryntu i to bez pomocy jakiejkolwiek reakcji chemicznej. Oczywiście nie spędzi on tam wieczności. Musi jedynie wytrzymać do momentu, w którym do akumulatora podłączymy jakiś odbiornik. Wpinając akumulator do np. telefonu, elektrony zyskują drogę ucieczki – grafit nie jest dla nich tak gościnny jak kobalt, stąd czują się w jego strukturze jak sardynki zamknięte w puszce. Słysząc ciche, niosące się przewodami nawoływanie kobaltu, elektrony postanawiają wykorzystać okazję. Te lekkie i zwinne cząstki bez problemu uciekają z grafitowej pułapki. Po drodze zostawiają w telefonie standardową „opłatę” energetyczną i ponownie powracają do struktury tlenku kobaltu, któremu jak wiemy i tak jest wszystko jedno… Obojętny za to nie jest na pewno lit. Dzięki temu, że elektrony powoli znikają, maleje też siła trzymająca go między warstwami grafitu. Z drugiej strony kobalt karmiony elektronami również zapomina o wystosowanym wcześniej akcie nienawiści (to znaczy przestaje on być naładowany dodatnio i odpychać lit). Lepszej okazji nie będzie – jony litu opuszczają grafit i przedzierają się z powrotem przez separator, docierając wreszcie do przytulnych warstw kobaltu, wyłożonych mięciutką połacią tlenu. W ten oto sposób zakończył się cykl ładowania i rozładowania akumulatora, w trakcie którego jony litu przemierzyły jego wnętrze raz w jedną, raz w drugą stronę. Mechanizm ten nie bez powodu określa się mianem ,,bujanego fotela” (ang. rocking chair). Geniusz i prostota jakie stoją za tym pomysłem przyczyniły się do największej obok Internetu rewolucji XXI wieku – powstania akumulatora litowo-jonowego. Uproszczona animacja akumulatora litowo-jonowego Cena geniuszu Ogniwa litowo-jonowe to najwydajniejsze i najpotężniejsze akumulatory jakie do tej pory pojawiły się na rynku. Niestety jakość, jak to zwykle bywa, niesie ze sobą wysoką cenę. Skąd się ona bierze? Zacznijmy może od tego, że chęć litu do reagowania wszędzie i ze wszystkim sprawia, że jest on dość problematyczny w przechowywaniu i obróbce. Z tego samego powodu nie znajdziemy na naszej planecie litu w czystej postaci. Najczęściej odzyskuje się go ze związków chemicznych, takich jak chlorek litu (LiCl), wodorotlenek litu (LiOH) i węglan litu (Li2CO3). Nie jest to proces ani łatwy, ani wydajny. Do uzyskania kilograma czystego litu potrzeba aż 5,3 kg węglanu litu. Największe złoża tego surowca znajdują się w Boliwii (około 32% światowych zasobów), a do największych producentów czystego litu należą Chile, Chiny i Argentyna, produkując około kilogram litu w ciągu każdej sekundy jaką spędzasz na czytaniu tego artykułu. Do tego wyprodukowanie akumulatora z pierwiastka, który ma tak ogromną energię i tylko czyha na okazję, by z czymś przereagować wymaga zastosowania całej masy zabezpieczeń. Akumulatory Li-Ion nie lubią przegrzewania, przeładowania i nadmiernego rozładowania. Stąd naszpikowane są elektroniką trzymającą w ryzach parametry akumulatora. To jednak nie zawsze zdaje egzamin, bo wystarczy najmniejsze zanieczyszczenie litu lub błąd w trakcie produkcji, by wszystko zakończyło się efektownym pożarem. Słyszałeś może o aferze z wybuchającymi bateriami w Samsungach Galaxy Note 7? Swego czasu zabronione było wnoszenie tego smartfona na pokład samolotu, a firma Samsung rozsyłała klientom specjalnie zabezpieczone opakowania przeznaczone do zwrotu tego niebezpiecznego telefonu. Myślę jednak, że nie będziemy teraz wnikać w co bardziej szczegółowe aspekty techniczne akumulatorów Li-Ion. Te wolałbym poruszyć w osobnym, przeznaczonym do tego artykule. Mam nadzieję, że dzisiejsza podróż uświadomiła Ci jak te akumulatory działają i jakim wyzwaniem były dla uczonych pod koniec XX wieku. Następnym razem porozmawiamy o podtypach baterii Li-Ion, ich zastosowaniu, a także ogólnych wadach i zaletach. Czym różni się akumulator w smartfonie od tego w samochodzie elektrycznym? Czym tak naprawdę są następcy Li-Ionów, czyli baterie litowo-polimerowe? Czy baterie z wody morskiej mają szansę za chwilę zdetronizować ,,litówki”? Jeśli nie chcesz przegapić żadnego nadchodzącego artykułu, to zapisz się poniżej na newsletter lub polub moją moją stronę na facebooku. Do usłyszenia! Dzięki za poświęcony czas! Bibliografia Lithium Batteries Science and Technology – C. Julien, A. Mauger, A. Vijh, K. Zaghib, Handbook of Batteries Third Edition – D. Linden, T. Reddy, Akira Yoshino – Lithium-ion battery and its evolution – dokument dostępny pod adresem: Lithium Use in Batteries – T. Goonan, Department of the Interior, Geological Survey. – model 3D struktury tlenku kobaltu litu. How Does a Lithium-ion Battery Work? – Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, adres: Podobało się? Zajrzyj na i wspieraj moją dalszą pracę! A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę? Powiadomić Cię o nowych artykułach? Polecam zapisanie się na newsletter lub zajrzenie na facebook’a. W ten sposób nie przegapisz żadnego nowego tekstu! PZL Sędziszów – producent baterii Battery Guru objaśnia jakie są technologie stosowane w produkcji baterii litowo-jonowych. Baterie litowo-jonowe są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach, a nie wszystkie z nich są sobie równe. Możemy rozróżnić 6 różnych typów akumulatorów litowo-jonowych, a także ich skład i typowe
Stosowane w nich baterie litowo-jonowe mają bowiem określoną pojemność, która wraz z upływem czasu i kolejnymi cyklami ładowania stopniowo spada. Wiąże się to z koniecznością coraz częstszego podłączania samochodu do ładowarki, a finalnie wymianą baterii, która jest dość kosztowna.
W akumulatorze Li-ion podstawą magazynowania energii jest ruch dodatnich jonów litu między anodą i katodą w przewodzącym elektrolicie, co związane jest z przemianami chemicznymi. Podczas ładowania, które jest możliwe po przyłożeniu napięcia z zewnętrznego źródła do elektrod akumulatora, dodatnie jony litu przechodzą z katody
.