Jak dobrze wiecie, technologia litowo-jonowa to nasz chleb powszedni. Nie każdy jednak zdaje sobie sprawę, jak bardzo powszechna jest ona w życiu każdego z nas. Bateria litowo-jonowa to przecież nie tylko laptopy, ale i elektronarzędzia, odkurzacze, drony, a nawet samochody. Dzisiaj dowiemy się czym tak naprawdę są baterie litowo-jonowe (zwane też bateriami li-ion) i dlaczego są tak powszechne.
Historia rozwoju technologii li-ion
Już na początku XX wieku zauważono duży potencjał litu jako tworzywa baterii. Jest to metal o najmniejszej gęstości, dużym potencjale elektrochemicznym i wysokim stosunku energii do masy. Amerykański fizyk chemiczny George Newton Lewis rozpoczął eksperymenty z litowymi bateriami już w roku 1912, lecz dopiero w 1970 roku akumulatory litowe pojawiły się na rynku.
Pierwszy ważny krok w kierunku ogniw litowo-jonowych nastąpił w roku 1979. Profesor John Goodenough oraz Koichi Mizushima na Uniwersytecie Oksfordzkim stworzyli nowy rodzaj baterii litowej, w której lit mógł wędrować przez baterię z jednej elektrody w drugą w postaci jonów. Rozwiązanie to jest bazą dla obecnych baterii litowo-jonowych. Poniżej schemat działania akumulatora. Podczas ładowania jony litu przemieszczają się z węglowej anody do katody z tlenku litu i innego metalu i są tam przechowywane. Podczas rozładowania proces ten się odwraca… ale o samej budowie i działaniu za chwilę.
Pierwszej komercyjnej baterii litowo-jonowej doczekaliśmy się jednak dopiero w 1991 roku. Wprowadziło ją Sony w swoich kamerach, a kolejne firmy podążyły śladami japońskiego giganta. Szybko dostrzeżono wielką przewagę technologii litowo-jonowej nad dominującą wówczas niklowo-kadmową. Atutem była nie tylko wysoka gęstość, pozwalająca na zgromadzenie dwukrotnie większego ładunku w baterii o takim samym rozmiarze, ale i wysokie napięcie ogniwa na poziomie 3.6V. Ogniwa niklowo-kadmowe uzyskiwały napięcie 1.2V, więc potrzebowalibyśmy trzech, by uzyskać podobne napięcie. Dodatkowe zalety, które popchnęły li-ion do przodu to brak efektu pamięci, niska szkodliwość dla środowiska oraz wolniejsze samorozładowanie.
Czy baterie litowo-jonowe to dobry wybór?
Baterie litowo-jonowe – porównując je z bateriami tworzonymi w starych technologiach – są bardziej wydajne, dużo szybciej się ładują, a dodatkowo (co ma znaczenie zwłaszcza w przypadku sprzętów mobilnych) – są lżejsze. Można je bez problemu „doładowywać” w dowolnej chwili. W trosce o ich żywotność nie ma potrzeby czekania aż rozładują się w pełni, aby dopiero wtedy je doładować – a to czyni je wygodniejszymi w użytkowaniu.
Budowa akumulatora litowo-jonowego
Chcąc przybliżyć temat budowy akumulatora litowo–jonowego, na początku wypadałoby rozgraniczyć dwa pojęcia, którymi będziemy się posługiwać w tym segmencie. Chodzi tutaj o ogniwo i baterię. Niestety, te dwa terminy często są ze sobą mylone.
Ogniwo – podstawowe urządzenie przeznaczone do magazynowania energii składające się z elektrod, separatora i elektrolitu. W teorii samo ogniwo mogłoby funkcjonować jako bateria, jednak w przypadku ogniw litowo-jonowych byłoby to niebezpieczne, między innymi ze względu na ryzyko przegrzewania. Ogniwo litowo-jonowe może przybierać różne kształty, jednak zdecydowanie najczęściej używana jest forma ogniwa cylindrycznego 18650. Liczba 18650 oznacza wymiary – około 18 mm średnicy i 65 mm długości. Takie ogniwa osiągają maksymalną pojemność 3500 mAh, jednak prąd, jaki mogą oddawać, może się różnić w zależności od ich budowy. Ogniwa mogą mieć różną strukturę chemiczną, co znacznie wpływa na parametry. Najpopularniejszą wersją jest litowo-kobaltowa, ale do budowy ogniw mogą być użyte m.in. mangan, tytan, aluminium czy nikiel w różnych mieszankach i proporcjach. Większość tych opcji jest jednak nieopłacalna.
Bateria (akumulator) – bateria to urządzenie służące do magazynowania energii elektrycznej i przystosowane do oddawania tej energii w bezpieczny sposób. Na potrzeby artykułu ograniczamy się tylko do definicji akumulatora litowo-jonowego, który jest baterią wielokrotnego użytku – można go ładować i rozładowywać.
Akumulator może składać się z dowolnej ilości ogniw. Większość baterii litowo-jonowych składa się właśnie ze wspomnianych wcześniej ogniw 18650 łączonych szeregowo w wyższe napięcia. Te same ogniwa mogą tworzyć zarówno baterię do laptopa o napięciu 10,8V (6 ogniw, łączonych 3S2P, czyli 3 szeregowo i 2 równolegle), jak i ogromną baterię Tesli P100D o napięciu ponad 400V i mocy maksymalnej 451 kW. Bateria ta składa się z ponad 7000 ogniw typu 18650. Wszystko jednak wskazuje na to, że technologia ta zostanie zmieniona na inny typ li-ion.
Wydajność i żywotność baterii litowo-jonowej
Czas pracy akumulatora litowo-jonowego jest zależny od dwóch kwestii: pojemność i zużycia energii. Pojemność w przypadku baterii li-ion wyrażamy najczęściej w mAh i w przypadku każdej baterii ulega zmianie na skutek użytkowania. Fabryczna pojemność maksymalna baterii do laptopa na poziomie np. 4400 mAh po roku użytkowania może już być zmniejszona np. do 4000 mAh. To oczywiście bezpośrednio wpływa na czas pracy urządzenia.
Drugi aspekt to zużycie energii. W przypadku laptopa, lub telefonu, zużycie energii może wynikać z bardzo wielu czynników, takich jak jasność ekranu, zużycie procesora, korzystanie z internetu, a nawet z temperatury i wieku samego urządzenia. W zależności od każdego z tych warunków czas pracy może się różnić diametralnie. Należy także pamiętać, że bateria litowo-jonowa traci ładunek także w spoczynku.
Każdy akumulator jest podatny na starzenie i te tworzone w technologii li-ion nie są wyjątkiem. Ich żywotność jednak może się znacznie różnić w zależności od intensywności i poprawności użytkowania. Bardzo częstym przypadkiem jest, że identyczny akumulator litowo jonowy u jednej osoby przetrwa 1,5 roku, a u innej nawet 5 lat. Krótszy żywot baterii bardzo często wynika z nieodpowiedniego korzystania. Najbardziej szkodliwym błędem, jaki można popełnić jest doprowadzenie do głębokiego rozładowania poprzez wyładowanie baterii do 0% i pozostawienie jej w tym stanie przez dłuższy czas. Choć więc baterie litowo jonowe uznawane są za bardzo wydajne – ich żywotność uzależniona jest od sposobu użytkowania.
Niestety, bardzo często zupełnie nieświadomym działaniem mocno szkodzimy baterii i zamiast po kilku latach, odmawia nam ona współpracy po roku.
Dalszy rozwój akumulatora litowo-jonowego?
Co prawda, technologia li-ion i podobna jej litowo-polimerowa wciąż zdecydowanie dominują w większości urządzeń przenośnych, ale nie oznacza to, że nie szykują się zmiany w tym zakresie. Na horyzoncie mamy co najmniej kilka usprawnień, które mogą jeszcze bardziej pchnąć do przodu technologię mobilną.
Pojawiły się także usprawnienia związane z wykorzystaniem grafenu. Jeśli tylko uda się odnaleźć prostą i tanią metodę uzyskiwania grafenu, może on z pewnością być wykorzystany do zwiększenia sprawności ogniw litowo-jonowych.