Baterie litowe są integralną częścią naszego życia od dziesięcioleci i są wymagane w różnych urządzeniach elektronicznych. Ale dlaczego baterie litowe stały się tak popularne i czy istnieją lepsze alternatywy? Co może pewnego dnia całkowicie zastąpić baterie litowe?
Czym są baterie litowe?
Baterie litowe (akumulatory litowo-jonowe) są obecnie najpopularniejszym typem baterii. Pomysł baterii litowych został po raz pierwszy zaproponowany w 1976 roku przez Michaela Stanleya Whittinghama, brytyjskiego chemika. Baterie litowe po raz pierwszy pojawiły się na szeroką skalę w handlu kilka lat później, w 1991 roku, kiedy weszły do masowej produkcji.
Bateria litowa może występować w wielu postaciach, z najbardziej godnymi uwagi wariantami, w tym litem fosforan żelaza, tlenek litowo-kobaltowy, tlenek litowo-manganowy i litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy tlenek. Baterie te zawierają małe ogniwa energetyczne, z których każde składa się z elektrody dodatniej (katody), elektrody ujemnej (anody) i elektrolitu.
W ogniwie jony litu poruszają się między elektrodami dodatnimi i ujemnymi, a elektrolit działa jako wektor ruchu. Jony litu (Li+) mają ładunek dodatni i dlatego są przyciągane do elektrody ujemnej. Dwie elektrody również składają się z kluczowych elementów. W przypadku typowej baterii litowo-kobaltowo-tlenkowej katoda jest wykonana z tlenku litowo-kobaltowego, natomiast anoda jest zwykle wykonana ze związku węglowego zwanego grafitem.
Katoda oddaje część swoich dodatnich jonów litu, które następnie przemieszczają się do anody przez elektrolit, uwalniając energię, którą akumulator wykorzysta do swojej mocy wyjściowej. Ten szybki i prosty proces jest obecnie wykorzystywany przez miliardy ludzi na całym świecie do zasilania swoich urządzeń.
Wiele marek akumulatorów litowo-jonowych jest jednorazowych. Chociaż mogą zasilać urządzenie przez tygodnie, miesiące, a nawet lata, należy je wyrzucić i wymienić po wyczerpaniu baterii. Jednakże, akumulatory na bazie litu są obecnie bardzo popularne, ponieważ pozwalają zaoszczędzić użytkownikom pieniądze i wytwarzają mniej odpadów.
Ale dlaczego właściwie akumulatory litowe są najlepszym wyborem? Co czyni je tak atrakcyjną opcją dla producentów i konsumentów?
Dlaczego używamy baterii litowych?
Używamy głównie baterii litowych ze względu na ich długą żywotność w porównaniu z innymi typami baterii. Producenci chcą produkować i sprzedawać akumulatory, które zapewniają zasilanie przez kilka dni, a jednocześnie są lekkie i kompaktowe. Ponadto, zgodnie z Instytut Czystej Energii, akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się bardzo niskim współczynnikiem samorozładowania wynoszącym około 1-2% miesięcznie, co oznacza, że za każdym razem, gdy są używane, tracą mniejszy procent całkowitej pojemności.
Akumulatory litowo-jonowe mogą wytwarzać energię w prostym procesie chemicznym, co czyni je bardzo atrakcyjną opcją dla producentów. Dodając do tego gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych, czyni je najbardziej preferowaną opcją. Standardowa bateria litowo-jonowa ma pojemność 260-270wh/kg (watogodzin na kilogram), podczas gdy akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą osiągnąć pojemność tylko 50-100wh/kg (zgodnie z Energia ważki). Gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych jest również kluczowym powodem, dla którego są powszechnie stosowane w pojazdach elektrycznych.
Ze względu na te czynniki baterie litowe są popularne wśród ogółu społeczeństwa i nie są drogie w zakupie. Podczas gdy niektóre marki lub modele baterii mogą mieć wyższą cenę, standardowe baterie litowe są ogólnie dość przystępne cenowo i dostępne w milionach sklepów na całym świecie.
Ale akumulatory litowo-jonowe nie są bynajmniej doskonałe. W rzeczywistości istnieje kilka rażących problemów związanych z tym niezwykle popularnym źródłem zasilania.
Problem z bateriami litowymi
Jednym z największych problemów związanych z akumulatorami litowo-jonowymi jest ogromna ilość wytwarzanych przez nie odpadów. Wiele osób decyduje się na wyrzucanie baterii do zwykłych śmieci, gdy wyczerpią się baterie, co jest szkodliwe dla środowiska.
Gdy akumulatory litowo-jonowe są wyrzucane razem z innymi odpadami ogólnymi, nienadający się do recyklingu, lądują na wysypisku. Gdy tu wylądują, ich komponenty mogą wyciekać i poważnie szkodzić otaczającemu środowisku. Lit, nikiel, kobalt i mangan mogą stwarzać poważne ryzyko zanieczyszczenia i wszystkie są obecne w różnych typach baterii litowych.
Co więcej, wydobycie litu dla tego typu baterii szkodzi również naszej planecie. Lit można wydobywać poprzez wydobycie soli lub odparowanie, przy czym oba procesy mają nieprzyjemny wpływ na środowisko. Zanieczyszczenie, zwiększone zasolenie wody, emisja CO2 i utrata różnorodności biologicznej to niepokojące skutki uboczne wydobycia litu.
Biorąc pod uwagę, że rynek baterii litowych ma wzrosnąć o 14,6 procent w latach 2020-2026 (jak podaje statystyka), prawdopodobnie proces wydobycia litu nadal będzie stanowił zagrożenie dla środowiska. To jest również rosnący niepokój w branży produkcji pojazdów elektrycznych.
Jakie są alternatywy?
4 najlepsze alternatywy dla baterii litowych
1. Baterie słonowodne
Oceany słone pokrywają dwie trzecie naszej planety. Jak zatem wykorzystać ten zasób do wytwarzania energii?
Baterie słonowodne wykorzystują stężony roztwór soli do wytwarzania energii. Baterie słonowodne zawierają również anodę i katodę, przy czym roztwór soli działa jak elektrolit (lub wektor) dla dodatnich jonów sodu (jonów Na+). Jony sodu przemieszczają się z katody do anody, wytwarzając energię.
Rzeczywista woda morska nie jest używana w bateriach słonowodnych, ale ogromne ilości soli można zebrać z oceanu i wykorzystać do tych baterii. Używanie słonej wody do produkcji baterii może być znacznie mniej szkodliwe dla środowiska niż procesy ekstrakcji litu, kobaltu, niklu i innych metali stosowanych w bateriach.
2. Baterie szklane
Szklane baterie mogą brzmieć nieco nietypowo, ale mają ogromny potencjał. Szklana bateria to stosunkowo nowy pomysł, po raz pierwszy opracowany przez fizyka Johna Goodenougha w 2017 roku. Ta bateria, znana jako „bateria Goodenough”, wykorzystuje szkło jako elektrolit. Podczas gdy elektrolity w bateriach zwykle występują w postaci płynnej, szklana bateria jest całkowicie stała.
Stosowanie elektrolitu stałego jest znacznie bezpieczniejsze niż elektrolity ciekłe, zmniejszając ryzyko pożaru i eliminując ryzyko wymywania na wysypiskach. Co więcej, szklana bateria może działać dłużej niż baterie litowo-jonowe, co czyni je ogólnie bardziej zrównoważoną alternatywą. Sód jest również używany w szklanych bateriach, które, jak wspomniano przy omawianiu baterii słonowodnych, są bardziej zrównoważonym zasobem niż tradycyjne metale stosowane w bateriach.
3. Baterie sodowo-siarkowe
Baterie sodowo-siarkowe (NaS) są rodzajem baterii w stanie ciekłym, które wykorzystują stopione anody i katody. W tym przypadku anoda i katoda występują w postaci płynnej, przy czym pierwsza to stopiony sód, a druga to stopiona siarka. Baterie te istniały od lat 60. XX wieku, zanim wynaleziono baterię litowo-jonową. Ale jaki potencjał ma bateria NaS w naszym świecie?
Główną zaletą akumulatorów sodowo-siarkowych jest ich większa gęstość energii niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. W rzeczywistości, naukowcy z Uniwersytetu w Sydney stworzył baterię sodowo-siarkową o czterokrotnie większej pojemności energetycznej niż baterie litowo-jonowe w 2022 roku. Co więcej, akumulatory sodowo-siarkowe są mniej toksyczne niż akumulatory litowo-jonowe, co jest dobrą wiadomością dla środowiska.
4. Baterie konopne
Nie pomyślałbyś, że konopie mogą zastąpić akumulatory litowo-jonowe, ale ta roślina po raz kolejny udowodniła swoją wszechstronność. Jednak te baterie mają zastrzeżenie: nadal wykorzystują do pracy metale ciężkie, takie jak lit.
Ekologiczny zegarek informuje, że jeden przykład baterii konopnej, opracowanej przez naukowców w 2022 r., wykorzystuje lit i siarkę w procesie wytwarzania energii. Różnica polega na tym, że inne metale ciężkie, takie jak nikiel czy kobalt, nie są używane, a sama bateria ma lepszą wydajność w porównaniu z tradycyjnymi wariantami litowo-jonowymi. Dzieje się tak dlatego, że konopie pomagają przedłużyć żywotność katody poprzez powtarzające się cykle.
Baterie na bazie konopi są również bardziej opłacalne i rozważa się ich zastosowanie w pojazdach elektrycznych. Aby dowiedzieć się więcej o różnych typach akumulatorów EV, sprawdź nasze poświęcony artykuł na ten temat.
Przemysł baterii może stać się w przyszłości znacznie bardziej ekologiczny
Przy tak obiecujących alternatywach dla akumulatorów litowo-jonowych, które są już w fazie prac, myślenie o przyszłości branży akumulatorów jest ekscytujące. Jeśli takie alternatywy zostaną pomyślnie skomercjalizowane, możemy zapobiec niezliczonym problemom środowiskowym i katastrofom. Podsumowując, jest to korzystne dla zamienników litowo-jonowych!
