Lit jako materiał zdolny do dostarczania energii elektrycznej jest znany od dawna. Już w 1912 roku prowadzono eksperymenty z użyciem tego pierwiastka w ogniwach elektrochemicznych. Jednak ze względu na wysoką reaktywność masowo stosować go do magazynowania energii zaczęto dopiero po 1970 roku. Przełom nastąpił w 1979 roku, kiedy dwóch uczonych z uniwersytetu w Oxfordzie wykonało ogniwo, w którym między elektrodami przepływały jony litu znajdującego się w elektrolicie. Podczas ładowania jony litu przemieszczają się z anody pokrytej grafitem do katody pokrytej tlenkiem litu napylonym na podkładzie z innego metalu. Tam też są przechowywane. Podczas rozładowania proces ten się odwraca.

Zasada działania ogniwa litowo-jonowego: podczas rozładowywania obserwuje się przepływ jonów litu z węglowej elektrody do elektrody metalowej. © Archiwum czasopisma „autoEXPERT”

Akumulator może zawierać w sobie dowolną liczbę pojedynczych ogniw. Większość baterii litowo-jonowych składa się z ogniw typu 18650 (rozwinięcie oznaczenia: 18 mm średnicy i 65 mm długości) łączonych szeregowo w wyższe napięcia. Takie same ogniwa mogą tworzyć baterię do laptopa o napięciu 10,8 V i baterię Tesli o napięciu ponad 400 V i mocy maksymalnej 451 kW. Tyle że bateria Tesli składa się z ponad 7000 ogniw typu 18650.

Spotykane w praktycznie wszystkich zastosowaniach ogniwa typu 18650 o napięciu 3,7 V. © Samsung

Li-Po

Baterie litowo-polimerowe pod względem zasady działania są bateriami litowo-jonowymi, w których warstwy węglowe zastąpiono przewodzącymi warstwami polimeru. Dzięki temu możliwe stało się skonstruowanie baterii „miękkiej”, którą można wyginać w zależności od potrzeby zagospodarowania miejsca. Elektrolit w akumulatorach litowo-polimerowych może mieć postać stałą lub żelową. W akumulatorach Li-Po przyjęto określone oznaczenia, które ułatwiają identyfikację parametrów. Liczba ogniw oznaczana jest literą S (dla ogniw połączonych szeregowo) lub P (dla ogniw połączonych równolegle). Przykładowo oznaczenie 3S mówi, że pakiet złożony jest z trzech cel połączonych szeregowo, a 2S2P składa się z dwóch ogniw połączonych szeregowo i dwóch połączonych równolegle. Każde ogniwo litowo-polimerowe ma napięcie znamionowe równe 3,7 V, więc łatwo policzyć, jakie będzie napięcie całego akumulatora. W przypadku baterii trzech ogniw połączonych szeregowo (3P) mamy do czynienia z napięciem 3 × 3,7 V = 11,1 V. Podobnie będzie w przypadku pakietu trzech ogniw połączonych szeregowo i trzech ogniw połączonych równolegle (3S3P). W tym przypadku napięcie baterii będzie równe napięciu podawanemu przez szeregowe połączenie (3 × 3,7 V = 11,1 V). Połączenie równoległe ogniw zwiększa pojemność takiej baterii.

Akumulator umieszczony w podłodze samochodu Tesla składający się z ponad 7000 ogniw typu 18650. Źródło: Tesla

Lit litowi nierówny

Materiałem, z którego wykonywane są katody w akumulatorach, jest tlenek litowo-kobaltowy (LiCoO₂). Akumulatory litowo-jonowe dostępne są też w wersji z katodą z tlenku litowo-żelazowo-fosforanowego (LiFePO₄), tlenku litowo-manganowego (LiMn₂O₄) i materiałów na bazie litu, niklu, manganu i kobaltu (LiNiMnCoO₂) oraz NCA, który w składzie oprócz litu, niklu i kobaltu ma również aluminium (LiNiCoAlO₂). Anoda akumulatorów litowo-jonowych wykonana jest zazwyczaj z grafitu. Gęstość energii, jaką można uzyskać w akumulatorach z ujemną elektrodą z tego materiału, wynosi od 200 do 250 Wh/kg. Uznaje się je za bezpieczniejsze niż akumulatory z anodą z litu. Jednak to właśnie w tym ostatnim materiale pokładane są bardzo duże nadzieje. Wynika to z faktu, że ma on właściwości, które w przypadku materiałów anod w akumulatorach o dużej pojemności są szczególnie pożądane. Są to: duża pojemność grawimetryczna (3860 mAh/g), mała gęstość (0,59 g/cm³) oraz niski potencjał elektrochemiczny. Elektrolity w akumulatorach litowo- -jonowych mogą mieć postać ciekłą albo formę żelu. Elektrolity ciekłe pod względem sprawności przenoszenia jonów litu przewyższają te żelowe, ale są łatwopalne. Żelowe z kolei charakteryzuje mniejsza przewodność, ale są bezpieczniejsze w użytkowaniu, a prawdopodobieństwo ich zapłonu jest mniejsze. Łatwopalność elektrolitów płynnych zmniejsza się przez dobór składników, w których rozpuszczone są sole litu. Przykładem jest rozpuszczenie soli litu (heksafluorofosforanu litu – LiPF6) w mieszaninie węglanu etylenu z węglanem dietylu. Elektrolit ten charakteryzuje się mniejszą palnością niż oddzielne mieszaniny tej soli z każdym z poszczególnych rozpuszczalników.

Ładowanie

Warunek bezpiecznego ładowania akumulatorów litowo-jonowych (w tym litowo-polimerowych) jest jeden: nie wolno przekroczyć dopuszczalnego napięcia i prądu ładowania. Podstawowa zasada jest prosta: wszelkie akumulatory litowe należy ładować najpierw przy stałym prądzie wynoszącym zwykle 0,2–0,3 C (tylko w niektórych dopuszczalny jest większy prąd ładowania 0,5–1 C), a gdy napięcie wzrośnie do wyznaczonej wartości, ładowarka powinna utrzymywać tę wartość napięcia, zaś prąd winien samoczynnie spadać. Należy pamiętać, że do ładowania akumulatorów litowo-jonowych i litowo-polimerowych konieczne jest użycie specjalnej ładowarki ze sterowaniem elektronicznym. Chodzi przede wszystkim o przebieg procesu na początku i końcu ładowania oraz o ładowanie odpowiednim amperażem i napięciem. Akumulatory co prawda mają zabezpieczenie elektroniczne odcinające zbyt duże prądy ładowania, jednak, jak przedstawiono na ilustracji 4, przebieg samego procesu ładowania też ma znaczenie. W przypadku przeładowania akumulatorów litowo-jonowych zbyt dużym napięciem może dojść do niebezpiecznych sytuacji. Ale tutaj też występują różnice w związku z typem akumulatora. Na przykład akumulatory kobaltowe (LiCoO₂) potrafią się zapalić już przy przeładowaniu napięciem wynoszącym 20 V. Akumulatory z elektrodami z tlenku litowo-żelazowo-fosforanowego (LiFePO₄) ulegają także zniszczeniu podczas przeładowania, ale dopiero przy wartości 40 V. W przypadku akumulatorów kobaltowych mamy do czynienia z gwałtownym pożarem akumulatora, natomiast w akumulatorze litowo-żelazowo-fosforanowym – tylko z wytworzeniem znacznej ilości dymu bez wyraźnego źródła ognia, co czyni taki akumulator bezpieczniejszy w obsłudze i użytkowaniu.

Przebieg procesu ładowania: po około 1 godzinie ładowania prąd zaczyna spadać z poziomu 1 A, a napięcie ładowania – stabilizować się na poziomie 4,1 V na ogniwo. Prąd ładowania w kolejnych dwóch godzinach spada, a napięcie ładowania pozostaje na stałym poziomie. Ładowanie zostaje przerwane, gdy prąd ładowania jest mniejszy niż 3% prądu znamionowego. Napięcie ładowania spada wtedy do 3,7 V i przy ciągle przypiętej baterii prąd ładowania jest dołączany w odstępach czasowych, aby podtrzymać naładowanie akumulatora. Źródło: Batteryuniversity

Przechowywanie

Trwałość akumulatorów litowo-jonowych (w tym litowo-polimerowych) zależy od kilku czynników, z których najważniejszymi są temperatura pracy i przechowywania. Dla zwiększenia trwałości zaleca się przechowywanie nieużywanych akumulatorów tego typu w niskiej temperaturze (ale powyżej 0°C) i – co istotne – naładowanych tylko do 40% pojemności. Przechowywanie akumulatorów litowo-jonowych w stanie pełnego naładowania lub pełnego rozładowania znacznie skraca ich żywotność.

Troszkę ekologii

Ponieważ akumulatory litowo-jonowe zawierają mniej toksycznych metali niż inne rodzaje akumulatorów (ołowiowe, kadmowe), są one ogólnie klasyfikowane jako odpady inne niż niebezpieczne. Składniki akumulatorów litowo-jonowych, w tym żelazo, miedź, nikiel i kobalt, są uważane za bezpieczne w recyklingu, ale ich wydobycie pozostaje tańsze niż ponowne przetwarzanie. W przeszłości niewiele inwestowano w recykling akumulatorów litowo-jonowych z powodu kosztów, złożoności i niskiej wydajności tego procesu. Od 2018 r. wydajność recyklingu znacznie wzrosła, a odzyskiwanie litu, manganu, glinu, organicznych rozpuszczalników elektrolitu i grafitu jest możliwe na skalę przemysłową. Najdroższym metalem używanym do budowy ogniw jest kobalt, którego znaczna część jest wydobywana w Kongo. Procesy produkcji niklu i kobaltu oraz rozpuszczalnika stanowią potencjalne zagrożenie dla środowiska i zdrowia. Lit jest tańszy niż inne używane metale, a jego recykling może zapobiec przyszłemu niedoborowi tego pierwiastka. Wydobycie litu odbywa się w niewielu kopalniach w Ameryce Północnej i Południowej (w Andach Środkowych), Azji (w Chinach ) i Afryce Południowej i może mieć wpływ na środowisko z powodu zanieczyszczania wody. Wytworzenie 1 kg baterii litowo-jonowej wymaga około 67 megadżuli (MJ) energii. Potencjał globalnego ocieplenia w wyniku produkcji akumulatorów litowo-jonowych silnie zależy od źródła energii wykorzystywanego w górnictwie i produkcji. Obliczenia przytoczone w raporcie „Effects of battery manufacturing on electric vehicle life-cycle greenhouse gas emissions” opublikowanym przez The International Council on Green Transportation mówią, że ślad węglowy tylko podczas produkcji akumulatorów litowo-jonowych wynosi 175 gramów na 1 KWh, co jest równoznaczne z emisją 35 g CO₂/km przez całe życie samochodu. W wyliczeniach tych nie wzięto pod uwagę emisji związanych z późniejszą gospodarką zużytymi akumulatorami. Efektywny recykling jest więc tutaj elementem kluczowym dla zmniejszania śladu węglowego przy produkcji i odzyskiwaniu materiałów z tego typu ogniw.