Odkrywanie zelektryzowanego świata: rodzaje baterii litowych

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) stają się coraz bardziej popularne ze względu na ich wysoką gęstość energii, długą żywotność i lekką konstrukcję. Są one wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w elektronice użytkowej, pojazdach elektrycznych i systemach energii odnawialnej. Istnieje kilka rodzajów akumulatorów litowo-jonowych, z których każdy ma unikalną chemię i właściwości. Oto niektóre z najczęstszych typów:

• Tlenek kobaltu litu (LiCoO2 lub LCO): Baterie LCO wykorzystują katodę z tlenku kobaltu i anodę grafitową. Oferują wysoką gęstość energii i są powszechnie stosowane w przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony, laptopy i aparaty fotograficzne. Jednakże, ich stabilność termiczna jest stosunkowo niska , co może budzić obawy dotyczące bezpieczeństwa.
• Tlenek litowo-manganowy (LiMn2O4 lub LMO): Baterie LMO wykorzystują spinelową katodę z tlenku manganu i anodę grafitową. Oni zapewniają dobrą stabilność termiczną, wysoka moc wyjściowa i niższy koszt w porównaniu z innymi chemikaliami litowo-jonowymi. Akumulatory LMO są często stosowane w elektronarzędziach i pojazdach elektrycznych.
• Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4 lub LFP): Akumulatory LFP wykorzystują katodę z fosforanu żelaza i anodę grafitową. LFP mają niższą gęstość energii w porównaniu do akumulatorów LCO i LMO, ale oferują lepszą stabilność termiczną, bezpieczeństwo i dłuższą żywotność. Akumulatory LFP są powszechnie stosowane w pojazdach elektrycznych, systemach energii odnawialnej i innych zastosowaniach wymagających dużej mocy.
• Litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy tlenek (LiNiMnCoO2 lub NMC): Akumulatory NMC wykorzystują katodę z tlenku niklu, manganu i kobaltu oraz anodę grafitową. NMC oferują dobrą równowagę gęstości energii, mocy wyjściowej i stabilności termicznej. Baterie NMC są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych, elektronice użytkowej i sieciowych systemach magazynowania energii.
• Tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy (LiNiCoAlO2 lub NCA): Baterie NCA wykorzystują katodę niklowo-kobaltowo-tlenkową i anodę grafitową. Oni mają wysoką gęstość energii i są znane z doskonałej wydajności w wysokich temperaturach. Baterie NCA są używane głównie w pojazdach elektrycznych, w tym w samochodach Tesli.
• Tytanian litu (Li4Ti5O12 lub LTO): Baterie LTO wykorzystują anodę z tytanianu litu zamiast anody grafitowej w połączeniu z różnymi materiałami katody. LTO mają niższą gęstość energii, ale oferują wyjątkową moc wyjściową, możliwości szybkiego ładowania i bardzo długi cykl życia. Baterie LTO są używane w aplikacjach wymagających dużej mocy wyjściowej i szybkiego ładowania, takich jak autobusy elektryczne i sieciowe systemy magazynowania energii.
• Tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-manganowy (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 lub NCM 811): Jest to specyficzna odmiana chemii NMC, z wyższą zawartością niklu (80%) i niższą zawartością kobaltu i manganu (po 10%). Akumulatory NCM 811 oferują wyższą gęstość energii i lepszą stabilność termiczną w porównaniu z tradycyjnymi akumulatorami NMC baterie. Są one coraz częściej stosowane w pojazdach elektrycznych i systemach magazynowania energii.
• Siarka litowa (Li-S): Baterie litowo-siarkowe wykorzystują katodę siarkową i anodę litową. Mają potencjał bardzo dużej gęstości energii, nawet pięciokrotnie większej niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe. Jednak napotykają wyzwania pod względem żywotności i stabilności w cyklu ze względu na tworzenie się dendrytów litu i rozpuszczanie związków siarki. Naukowcy aktywnie pracują nad przezwyciężeniem tych wyzwań i uczynieniem akumulatorów Li-S opłacalnymi komercyjnie.
• Litowo-powietrzne (Li-Air): Baterie litowo-powietrzne wykorzystują anodę litową i katodę powietrzną, w których tlen z otaczającej atmosfery reaguje z jonami litu w celu wytworzenia energii elektrycznej. Mają wyjątkowo wysoką teoretyczną gęstość energii, co czyni je obiecującą opcją dla pojazdów elektrycznych dalekiego zasięgu. Jednakże, Akumulatory Li-Air napotykają poważne przeszkody techniczne, takie jak krótki cykl życia, niska wydajność oraz wrażliwość na wilgoć i CO2 w powietrzu. Naukowcy badają różne podejścia, aby sprostać tym wyzwaniom.
• Litowo-polimerowy (Li-Po): Akumulatory litowo-polimerowe to odmiana akumulatorów litowo-jonowych, które wykorzystują stały elektrolit polimerowy zamiast ciekłego elektrolitu. Li-Po są lekkie, elastyczne i można je kształtować w różne formy, dzięki czemu idealnie nadają się do przenośnych urządzeń elektronicznych i dronów. Akumulatory Li-Po mają zwykle niższą gęstość energii i krótszy cykl życia w porównaniu z konwencjonalnymi akumulatorami litowo-jonowymi, a także mogą być bardziej wrażliwe na przeładowanie i przegrzanie.
• Litowo-jonowy w stanie stałym (Li-ion w stanie stałym): Stałe akumulatory litowo-jonowe zastępują ciekły elektrolit znajdujący się w tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych stałym elektrolitem. Ta zmiana może poprawić gęstość energii, bezpieczeństwo i szybkość ładowania. Baterie półprzewodnikowe są bardziej odporne na ucieczkę termiczną i mogą pracować w wyższych temperaturach niż ich odpowiedniki na bazie cieczy. Jednak obecnie stoją przed wyzwaniami związanymi ze skalą produkcji i kosztami. Wiele firm i badaczy aktywnie pracuje nad rozwojem i komercjalizacją akumulatorów półprzewodnikowych.
• Tlenek niklu litowo-manganowego (LiMn1,5Ni0,5O4 lub LMNO): Baterie LMNO, znane również jako wysokonapięciowe baterie spinelowe, wykorzystują katodę z tlenku manganu i niklu o unikalnej strukturze krystalicznej. Oferują wysokie napięcie (około 5 V) i dużą moc wyjściową, dzięki czemu nadają się do zastosowań wymagających szybkiego ładowania i rozładowywania. Jednak stoją przed wyzwaniami w zakresie cyklu życia i stabilności termicznej, którymi należy się zająć przed powszechnym przyjęciem.
• Dwusiarczek litowo-żelazowy (LiFeS2): Akumulatory LiFeS2, znane również jako akumulatory litowo-żelazowe, wykorzystują katodę z dwusiarczku żelaza i anodę litową. Są to baterie podstawowe (jednorazowe), które zapewniają wysoką gęstość energii, dobrą wydajność w niskich temperaturach i dłuższy okres trwałości w porównaniu z bateriami alkalicznymi. Akumulatory LiFeS2 są powszechnie stosowane w aparatach cyfrowych, latarkach i innych urządzeniach o dużym poborze mocy.
• Tlenek litowo-niklowo-manganowy (LiNi0,5Mn1,5O4 lub LNMO): Baterie LNMO, czasami nazywane bateriami spinelowymi 5 V, wykorzystują katodę z tlenku niklu i manganu oraz anodę litową. Działają przy wyższym napięciu (około 5 V) niż większość innych chemikaliów litowo-jonowych, zapewniając wyższą gęstość mocy i umożliwiając szybsze ładowanie. Baterie LNMO stoją przed wyzwaniami pod względem pojemności i długoterminowej stabilności, ale trwające badania mają na celu poprawę ich wydajności i rentowności komercyjnej.
• Fosforan litowo-wanadowy (Li3V2(PO4)3 lub LVP): Baterie LVP wykorzystują katodę z fosforanu wanadu i anodę litową. Oferują doskonałą stabilność termiczną i bezpieczeństwo, a także wysoką gęstość mocy i długi cykl życia. Akumulatory LVP są szczególnie odpowiednie do zastosowań wymagających dużej mocy, takich jak elektronarzędzia i rowery elektryczne.
• Tlenek litowo-wanadowy (LiV3O8 lub LVO): Baterie LVO wykorzystują katodę z tlenku wanadu i anodę litową. Wykazują wysokie napięcie, dużą gęstość mocy i dobrą stabilność termiczną, co czyni je atrakcyjną opcją do zastosowań o dużej mocy. Jednak ich gęstość energii i cykl życia są na ogół niższe niż w przypadku innych chemikaliów litowo-jonowych.
• Litowo-krzemowy (Li-Si): Baterie litowo-krzemowe mają na celu zastąpienie anody grafitowej w konwencjonalnych bateriach litowo-jonowych anodą krzemową. Krzem może przechowywać znacznie więcej jonów litu niż grafit, oferując potencjał do znacznie większej gęstości energii. Jednakże, anody krzemowe ulegają rozszerzaniu i kurczeniu objętości podczas cykli ładowania i rozładowywania, co może powodować szybką utratę pojemności. Naukowcy badają różne strategie, takie jak nanostrukturyzacja i kompozyty krzemowo-węglowe, aby sprostać tym wyzwaniom.
• Borowodorek litu (LiBH4)  Baterie z borowodorkiem litu wykorzystują elektrolit z borowodorku litu, który zapewnia wysoką przewodność jonową i dobrą stabilność termiczną. Baterie te mogą pracować w wysokich temperaturach i oferować wysoką gęstość energii, ale obecnie stoją przed wyzwaniami w zakresie cyklu życia i skalowalności komercyjnej.
• Podwójny węgiel litowo-jonowy (podwójny węgiel litowo-jonowy) : Dwuwęglowe akumulatory litowo-jonowe wykorzystują materiały węglowe zarówno w przypadku anody, jak i katody, takie jak grafen i nanorurki węglowe. Akumulatory te mają potencjał do dużej gęstości energii, szybkiego ładowania i zwiększonego bezpieczeństwa ze względu na niskie ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury. Jednak dwuwęglowe akumulatory litowo-jonowe są nadal w fazie eksperymentalnej i potrzebne są dalsze badania w celu optymalizacji ich wydajności i opłacalności.
• Całkowicie półprzewodnikowy litowo-metalowy (całkowicie półprzewodnikowy litowo-metalowy): Całkowicie półprzewodnikowe akumulatory litowo-metalowe są odmianą półprzewodnikowych akumulatorów litowo-jonowych, które wykorzystują anodę litowo-metalową zamiast anody grafitowej lub krzemowej. Baterie te oferują potencjał niezwykle dużej gęstości energii, ale stoją przed wyzwaniami związanymi z tworzeniem się dendrytów i stabilnością międzyfazowej między metalem litowym a stałym elektrolitem. Naukowcy aktywnie pracują nad opracowaniem nowych stałych elektrolitów i strategii przezwyciężenia tych problemów.
• Hybrydowe kondensatory litowe (HLC): Hybrydowe kondensatory litowe łączą wysoką gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych z dużą gęstością mocy i możliwością szybkiego ładowania superkondensatorów. Wykorzystują katodę interkalacyjną litowo-jonową i anodę z węgla aktywnego, tworząc tzw hybrydowe urządzenie do magazynowania energii, które może dostarczać zarówno wysoką energię, jak i dużą moc! HLC mają potencjalne zastosowania w pojazdach elektrycznych, systemach energii odnawialnej i innych zastosowaniach, które wymagają zarówno dużej gęstości energii, jak i mocy.

Podróż przez moc: rodzaje baterii litowych i ich ewolucyjna oś czasu

Ta oś czasu przedstawia znaczące kamienie milowe w rozwoju akumulatorów litowo-jonowych, które stały się nieodzownym źródłem zasilania dla naszych nowoczesnych urządzeń i stale ewoluują, aby sprostać wymaganiom nowych aplikacji i technologii.