Baterie litowo-jonowe zasilają obecnie szeroką gamę urządzeń i odgrywają kluczową rolę w naszym codziennym życiu. Są powszechnie używane do telefonów komórkowych i laptopów, pojazdów elektrycznych, systemów magazynowania energii oraz przenośnych urządzeń. Ich popularność i rosnące znaczenie wynikają w dużej mierze z postępu technologicznego w poszukiwaniu licznych zalet w stosunku do innych typów baterii oraz z rosnących wymagań dotyczących efektywności energetycznej baterii, np. w branży elektromobilności.
Czym są baterie litowo-jonowe?
Bateria litowo-jonowa to rodzaj akumulatora, który wykorzystuje lit jako kluczowy składnik do przechowywania energii. Te baterie przechowują energię w postaci jonów litu, które przemieszczają się między katodą a anodą podczas cyklu ładowania i rozładowania. W dzisiejszym świecie, stosuje się przynajmniej kilka rodzajów baterii litowo-jonowych, które różnią się między sobą efektywnością, trwałością, a nawet bezpieczeństwem użytkowania.
Jakie są główne zalety baterii litowo-jonowych (Li-ion)?
Baterie litowo-jonowe posiadają wiele zalet w porównaniu z innymi typami akumulatorów ze względu na swoją budowę i skład chemiczny.
Ich główny pierwiastek – lit, umożliwia uzyskanie wyższej gęstości energii i mocy niż jest to możliwe w akumulatorach np. ołowiowych, które stosowane są, m.in. w przemyśle, w tym w wózkach widłowych, systemach alarmowych, systemach fotowoltaicznych, czy akumulatorach w samochodach osobowych innych jak elektryczne. Baterie litowo-jonowe charakteryzują się także długą żywotnością, mogącą wynosić nawet kilka tysięcy cykli ładowania i rozładowania, oraz niskim efektem pamięci. W praktyce oznacza to, że bateria ma swoją żywotność przez kilka a nawet kilkanaście lat prawidłowego użytkowania.
Baterie litowo-jonowe często osiągają bardzo wysoką sprawność energetyczną, sięgającą nawet 95% przy prądzie ładowania i rozładowania wynoszącym 0,5C. Wartości te są istotne dla minimalizowania strat oraz określenia, jak szybko bateria może być ładowana lub rozładowywana bez uszczerbku dla jej wydajności.
Rodzaje baterii litowo-jonowych
Baterie litowo-jonowe mogą różnić się między sobą w zależności od składu chemicznego ogniw, które w nich zastosowano. Technologie takie jak LFP czy NMC są szerzej znane jednak istnieją też akumulatory wykorzystujące inną chemię, takie jak:
- LTO (litowo-tytanowe),
- LCO (litowo-kobaltowej),
- LMO (litowo-manganowej)
- NCA (nikiel-kobalt-aluminium).
Skład chemiczny katody i anody wpływa na parametry i dedykowane zastosowania baterii, których inny skład chemiczny przekłada się na ich właściwości i zastosowania. Zrozumienie różnic między nimi jest podstawą do wyboru odpowiedniego rozwiązania do potrzeb energetycznych i ekonomicznych danego projektu.
Poniżej przeanalizujemy najpopularniejsze typy akumulatorów li-ion pod kątem gęstości energii, maksymalnych możliwych prądów, bezpieczeństwa oraz innych kluczowych parametrów. Przyjrzymy się również ich zastosowaniom, od małych, codziennych urządzeń po ciężki sprzęt o napędzie elektrycznym. Pozwoli nam to lepiej zrozumieć, które technologie najlepiej odpowiadają różnym wymaganiom.
Zdjęcie betonomieszarki, w której zastosowano 6 baterii litowo-jonowych LFP
LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe) – LiFePO4
Baterie litowo-jonowe typu LFP to jeden z najpopularniejszych typów baterii litowo-jonowej. Charakteryzujący się grafitową anodą oraz katodą wykonaną z fosforanu żelazowo-litowego. Jego właściwości odpowiadają za dobre parametry i bezpieczeństwo ogniwa.
Zalety baterii litowo-jonowych typu LFP
Akumulator LFP charakteryzuje się wysoką stabilnością termiczną i chemiczną. Baterie LFP charakteryzują się wysokim prądem znamionowym i długą żywotnością, spowodowaną właśnie przez dobrą stabilność termiczną. Ich zdolność do wytrzymania nawet kilku tysięcy cykli jest bardzo pożądana zwłaszcza w magazynach energii i samochodach elektrycznych. To sprawia, że są one bardzo chętnie stosowane w tych aplikacjach.
Artykuł o zabezpieczeniach PPOŻ dla magazynów energii znajduje się na naszej stronie. KLIKNIJ TUTAJ
Baterie litowo-jonowe LFP są bardzo bezpieczne, wynika to z wysokiej stabilności chemicznej i termicznej. Ogniwo nie uwalnia tlenu do dwutlenku litu i kobaltu podczas podgrzewania co skutkuje bardzo wysokim bezpieczeństwem i zachowaniem bezpieczeństwa ogniwa w procesie starzenia. Oznacza to, że są dużo mniej podatne na wysokie temperatury, przez co mają dużo niższe ryzyko wybuchu czy samozapłonu niż inne akumulatory litowo-jonowe.
Wady baterii litowo-jonowych typu LFP
Z wad tej technologii trzeba wspomnieć o niskiej gęstości energii właściwej ogniwa. Akumulatory LFP mogą zgromadzić tylko od 90 do 160 Wh/kg (watogodzin na kilogram), co plasuje je w dolnym przedziale w stosunku pozostałych rodzajów chemii. Wymagane duże gabaryty w połączeniu z wysokimi parametrami pracy sprawiają że chemia baterii litowo-jonowych LFP świetnie nadaje się do zastosowań w ciężarówkach i pojazdach użytkowych o dużej mocy.
LTO (litowo-tytanowe)
Akumulatory LTO (ang. Lithium-Titanium-Oxcide) różnią się od pozostałych technologii baterii litowo-jonowych przez wykorzystanie na powierzchni anody nanokryształów litowo-tytanowych LiTi5O12. Zastąpiono w ten sposób stosowany do tej pory grafit, a dzięki zastosowaniu nano technologii powierzchnia czynna anody jest około 30 razy większa od dotychczasowej standardowej anody. Dzięki temu baterie litowo-jonowe LTO charakteryzują się wysokim prądem ładowania i rozładowania (nawet 5C) , co wynika z ich niskiej oporności wewnętrznej. Mogą pracować przy wysokich prądach, co sprawia, że są idealne do zastosowań, gdzie wymagana jest duża moc w krótkim czasie.
Zalety baterii litowo-jonowych typu LTO
Ogniwa LTO wyróżniają się:
- Dużą liczbą cykli, co czyni to je jednymi z najbardziej trwałych akumulatorów litowo-jonowych.
- Bardzo wysoką odpornością na degradację.
- Odpornością na niskie temperatury, co znacznie zwiększa niezawodność i poszerza ich zakres zastosowań.
Jednym z głównych atutów baterii litowo-jonowej LTO jest wysoki poziom bezpieczeństwa. Ogniwa te są bardzo stabilne, a ryzyko przegrzania, samozapłonu czy wybuchu jest minimalne. To czyni je jednymi z najbezpieczniejszych dostępnych na rynku akumulatorów litowo-jonowych. Dzięki tym właściwościom są często wykorzystywane w systemach, które wymagają błyskawicznego ładowania, a także wymagających dużych wydajności. Najczęściej są to: pojazdy elektryczne, w systemy magazynowania energii i instalacje przemysłowe.
Wady baterii litowo-jonowych typu LTO
Ogniwa w technologii LTO cechują się między innymi mniejszą gęstością energii na poziomie 60 – 90 Wh/kg oraz niższe napięcie nominalne ogniwa (w porównaniu do LFP i NMC). Dodatkowo, ogniwo LTO wykazuje ograniczenia w zakresie wydajności i żywotności przy temperaturach powyżej 35°C. Ogniwa typu LTO są o 100% do 300% droższe niż ogniwa typu LFP.
Procesy ładowania i rozładowywania generują znaczną ilość ciepła, co wymaga zastosowania zintegrowanego systemu chłodzenia. Skuteczne odprowadzanie ciepła i utrzymanie niskiej temperatury pracy są kluczowe dla zachowania żywotności systemu, która może przekraczać 10 lat.
Ogniwa tej technologii sprawdzają się w zastosowaniach, gdzie priorytetem są wysoka żywotność i bezpieczeństwo. Są one wykorzystywane na przykład w autobusach elektrycznych, mimo większych wymiarów baterii.
LCO (litowo-kobaltowe)
Zalety baterii litowo-jonowych typu LCO
Akumulatorylitowo-kobaltowe (LCO) cechują się wysoką gęstością energii, jako że mogą one zgromadzić aż od 150 do 200 Wh/kg. Pozwala to na szerokie zastosowanie w telefonach komórkowych, laptopach i innych mniejszych urządzeniach.
Wady baterii litowo-jonowych typu LCO
Wadą akumulatorów LCO jest między innymi jego krótka żywotność. Zazwyczaj osiąga ona do 1000 cykli i zależna jest od temperatury pracy czy głębokości rozładowania. Nadmierne rozładowanie ogniwa lub praca w niesprzyjających temperaturach powoduję szybszą degradację ogniwa.
Kolejną wadą jest niska stabilność termiczna oraz ograniczenia prądów ładowania i rozładowania, co wymaga stałej kontroli i zarządzania temperaturą ogniwa przez zewnętrzny system. Ze względu na rosnącą cenę kobaltu, rosnącą świadomość ekologiczną i społeczną akumulatory te tracą na popularności. Powoli są zastępowane przez inne rodzaje ogniw jak NMC i LMO.
NCA
Akumulator NCA (ang. niklowo-kobaltowo-aluminiowy) jest bardzo podobny do konwencjonalnego akumulatora NMC, za wyjątkiem stosowania aluminium zamiast manganu w elektrodzie dodatniej baterii.
Zalety baterii litowo-jonowej typu NCA
Dzięki wykorzystaniu aluminium, baterie w technologii NCA posiadają większą stabilność ogniwa i są bardziej bezpieczne.. Charakter tego ogniwa jest również zbliżony do akumulatora w technologii NMC. Posiadają od nich delikatnie wyższą gęstość energii i dopuszczają możliwość szybkiego ładowania. Dzięki temu są chętnie wykorzystywane w branży elektromobilności, przez np. Teslę, wraz z akumulatorami z technologii NMC i LFP.
Wady baterii litowo-jonowych typu NCA
Baterie litowo-jonowe typu NCA podobnie jak w przypadku NMC, charakteryzują się niższą stabilnością termiczną od innych chemii. Co prawda zagrożenie ucieczką termiczną baterii występuje w wysokich temperaturach. Jednak odnotowano przypadki, gdy dochodziło do samozapłonu akumulatora w wyniku jego przeładowania.
LMO
Ogniwa litowo-metalowo-tlenkowe (ang. litium-metal-oxide) posiadają wysoki prąd ładowania i rozładowania, co sprawia że są one idealne do rozwiązań potrzebujących wysokich impulsów. Są one bardziej stabilne termicznie od np. LCO przez brak kobaltu.
Żywotność ogniwa w tej technologii uzależniona jest mocno od głębokości ładowania i rozładowywania ogniw oraz od temperatury pracy. Zwykle LMO utrzymują swoje parametry przez tylko 400-800 cykli, co pomimo niższego kosztu produkcji nadal oznacza wysokie koszta wymiany akumulatorów po osiągnięciu przez nie tej ilości cykli. Posiadają one również mniejszą gęstość energii, na poziomie 100-150 Wh/kg. To sprawia, że są stosowane głównie w narzędziach elektrycznych, instrumentach medycznych a mniej chętnie w pojazdach elektrycznych.
NMC
Ogniwa manganowo-niklowo-kobaltowe (ang. Nickel Manganese Cobalt) są powszechnie używane w smartfonach, laptopach czy samochodach elektrycznych. Spowodowane jest to dużą gęstością energii tych ogniw (nawet większą niż w ogniwach LFP) na poziomie 150-240 Wh/kg.
Możliwość zgromadzenia większej energii w ogniwie oznacza mniejszą masę samej baterii. Jest to bardzo ważne dla lekkich urządzeń i narzędzi oraz pojazdów elektrycznych. Jednak duże upakowanie energii w małej pojemności przekłada się na mniejszą żywotność ogniwa, która dla NMC może wynosić od 800 do około 2000 cykli. Realnie oznacza to, że akumulator zachowuje swoje właściwości przez około 4 do 5 lat, a potem ulega szybkiej degradacji. Proces ten dodatkowo przyspiesza, gdy akumulator zostanie rozładowany poniżej 20%. W przeciwieństwie do LFP, nie są to baterie do głębokiego rozładowania.
Ogniwa NMC w ostatnim czasie wypierane są przez LFP również ze względu na bezpieczeństwo oraz różnicę w koszcie. Ich wysoka gęstość energii i możliwość pracy pod wysokim napięciem sprawiają że ten typ akumulatorów może się szybciej przegrzewać. Może to w skrajnych przypadkach doprowadzić do zapalenia się baterii, jeśli będzie ona źle użytkowana lub nieprawidłowo zaprojektowana.
Podsumowanie
Technologie baterii litowo-jonowych są bardzo zróżnicowane. Każda z nich posiada swoje unikalne cechy, które pasują do różnych zastosowań. Zrozumienie różnic między nimi pozwoli na świadome dobranie rodzaju technologii do naszego projektu i pomoże lepiej zrozumieć jak może ona maksymalnie wykorzystać swój potencjał. Wszystko to prze zachowaniu jej pełnej wydajności, trwałości i bezpieczeństwu w elektronice użytkowej, transporcie elektrycznym, magazynowaniu energii i wielu innym.
W Ennovation Technology specjalizujemy się w budowie baterii litowo-jonowych dla pojazdów elektrycznych. W razie pytań zapraszamy do kontaktu z ekspertem od baterii i napędów elektrycznych Michałem Borowskim m.borowski@ennovationtech.eu, +48 669 693 896.
[Żródła] Semanticscholar