Baterie litowo-jonowe, czyli właściwie jakie?
Gdy w rozmowie pada hasło „baterie litowo-jonowe” prawie każdy wie o co chodzi, przecież to właśnie takie baterie są powszechnie używane np. w smartfonach, smartwatchach, laptopach, elektronice użytkowej, czy wreszcie w elektrycznych skuterach, motocyklach i na samochodach elektrycznych kończąc. Prawda? Częściowo, bo typów akumulatorów litowo-jonowych jest całkiem sporo, poznajmy różnice pomiędzy sześcioma różnymi odmianami ogniw litowo-jonowych.
O to, jakie są i czym się różnią poszczególne typy baterii litowo-jonowych zapytaliśmy ekspertów z polskiej fabryki akumulatorów Battery Guru w Sędziszowie. Udało nam się uzyskać informacje o sześciu różnych typach akumulatorów litowo-jonowych.
Ogniwa litowo-tlenkowo kobaltowe
Baterie litowo-tlenkowo kobaltowe są produkowane z węglanu litu i kobaltu, i są również znane jako baterie litowo-kobaltowe lub litowo-jonowo-kobaltowe. Baterie te są używane w telefonach komórkowych, laptopach i aparatach elektronicznych ze względu na ich wysoką energię właściwą. Mają katodę z tlenku kobaltu i grafitową anodę, a jony litu migrują z anody do katody podczas rozładowania, a przepływ odwraca się, gdy akumulator jest ładowany. Ta bateria ma kilka wad, w tym krótką żywotność baterii i niską moc właściwą.
Ogniwa litowo-tlenkowo manganowe
Baterie litowo-manganowe są czasami nazywane bateriami litowo-manganowymi, litowo-jonowo-manganowymi lub spinelowymi. Technologia tego rodzaju akumulatorów została po raz pierwszy odkryta w latach 80. XX wieku, wraz z pierwszą publikacją w Biuletynie Badań nad Materiałami w 1983 r. Baterie te są stabilne w podwyższonych temperaturach, co czyni je bezpieczniejszymi od tych wykonanych w technologii kobaltowej. W rezultacie często znajdują się w sprzęcie i urządzeniach medycznych, ale mogą być również używane w elektronarzędziach, motocyklach elektrycznych i innych zastosowaniach. Baterie litowo-manganowe mogą być również wykorzystywane do zasilania laptopów i pojazdów elektrycznych.
Ogniwa litowo-żelazowo fosforanowe (LFP)
Fosforan LiFePO4 jest używany jako katoda w bateriach litowo-żelazowo-fosforanowych, często nazywanych bateriami litowo-fosforanowymi. Baterie w tej technologii charakteryzują się niską rezystancją co poprawia ich stabilność termiczną i bezpieczeństwo. Trwałość i długi cykl życia to kolejne zalety — w pełni naładowane akumulatory można przechowywać praktycznie bez wpływu na żywotność. Biorąc pod uwagę długą żywotność akumulatorów litowo-fosforanowych, są one często najbardziej opłacalną opcją. Z drugiej strony niższe napięcie baterii litowo-fosforanowej oznacza, że ma ona mniej energii niż inne baterie litowe.
W rezultacie akumulatory te są często używane w rowerach elektrycznych i innych zastosowaniach wymagających długiej żywotności i wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Baterie te są również powszechnie stosowane w pojazdach elektrycznych. Akumulator rozruchowy LFP jest często używany jako zamiennik ołowiowo-kwasowego akumulatora rozruchowego. Cztery ogniwa połączone szeregowo wytwarzają napięcie 12,80 V, które jest porównywalne z sześcioma ogniwami kwasowo-ołowiowymi 2V połączonymi szeregowo. Podczas ładowania do akumulatora kwasowo-ołowiowego dostarczane jest napięcie na poziomie 14,4V (2,40 V/ogniwo). W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych stosuje się ładowanie uzupełniające, aby utrzymać pełny poziom naładowania i zapobiec zasiarczeniu.
Każde ogniwo w akumulatorze z ogniwami LFP osiąga wartość szczytową 3,60 V, co jest prawidłowym napięciem pełnego naładowania. Doładowanie powinno zostać przy takim napięciu przerwane, chociaż ładowanie uzupełniające trwa nadal podczas jazdy. Akumulatory z ogniwami LFP tolerują umiarkowane przeładowanie, jednak dłuższe utrzymywanie napięcia na poziomie 14,40 V przy doładowywaniu – jak ma to miejsce w przypadku większości pojazdów podczas długiej jazdy, może spowodować przeciążenie ogniwa. Niskie temperatury zmniejszają wydajność akumulatorów litowo-jonowych, co w skrajnych przypadkach może wpływać na zdolność rozruchu.
Ogniwa litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC)
Akumulatory litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe, często nazywane akumulatorami NMC, są zbudowane z różnych materiałów, które są uniwersalne w akumulatorach litowo-jonowych. W zestawie znajduje się katoda zbudowana z mieszanki niklu, manganu i kobaltu.
Akumulatory NMC, podobnie jak inne typy akumulatorów litowo-jonowych, mogą mieć wysoką gęstość energii lub wysoką moc właściwą. Nie mogą jednak mieć obu tych funkcji jednocześnie. Ten akumulator jest najczęściej spotykany w elektronarzędziach i samochodowych układach napędowych. 60% niklu, 20% manganu i 20% kobaltu to najczęściej stosowane proporcje na materiał katodowy, jednak każdy producent ma swoje „złote” proporcje. Oznacza to, że koszt surowca jest niższy niż w przypadku innych rozwiązań akumulatorów litowo-jonowych, ponieważ kobalt może być dość kosztowny. Ponieważ niektórzy producenci akumulatorów planują zmienić skład chemiczny swoich akumulatorów zwiększając udział niklu i aby zużywać mniej kobaltu, cena tych akumulatorów może być coraz bardziej atrakcyjna. Ze względu na niski współczynnik samonagrzewania ten typ baterii jest coraz częściej stosowany w pojazdach elektrycznych. W przypadku elektronarzędzi, rowerów elektrycznych i innych elektrycznych układów napędowych akumulator NMC staje się preferowanym rozwiązaniem.
Ogniwa litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe
Akumulatory NCA, czyli akumulatory litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe, torują sobie drogę w pojazdach elektrycznych i magazynach energii. Chociaż akumulatory NCA nie są szeroko stosowane w elektronice użytkowej, mają ogromny potencjał w przemyśle samochodowym. Baterie NCA oferują wysoką energię i długą żywotność, ale są mniej bezpieczne niż inne typy baterii litowo-jonowych i są dość drogie. Aby zapewnić bezpieczeństwo kierowcy, akumulatorom NCA muszą towarzyszyć systemy monitorujące. Biorąc pod uwagę powszechne stosowanie akumulatorów NCA w pojazdach elektrycznych, popyt na te akumulatory rośnie wraz ze wzrostem liczby pojazdów elektrycznych.
Ogniwa litowo-tytanowe
Tytanian litu, często znany jako lit-tytanian, to rodzaj baterii, który ma coraz większą liczbę zastosowań. Dzięki doskonałej nanotechnologii akumulator litowo-tytanowy charakteryzuje się niezwykle krótkim czasem ładowania. Baterie litowo-tytanowe są stosowane przez producentów pojazdów elektrycznych i rowerów, a ten typ baterii może znaleźć zastosowanie w autobusach elektrycznych transportu publicznego. Jednak te akumulatory mają niższe napięcie wewnętrzne lub gęstość energii niż inne typy akumulatorów litowo-jonowych, co może powodować problemy, jeśli chodzi o wydajne zasilanie samochodów. Mimo to akumulatory litowo-tytanowe mają większą gęstość niż akumulatory nielitowo-jonowe, co jest zaletą.
Baterie te mogą być wykorzystywane do zastosowań wojskowych i lotniczych, a także do magazynowania energii wiatrowej i słonecznej oraz do budowy inteligentnych sieci. Rodzaje ogniw stosowane w konkretnym rodzaju baterii mają kluczowe znaczenie, jeśli chodzi o przebieg i napięcie ładowania. Różne technologie wymagają różnych napięć, co oznacza, że podczas naprawy polegającej na wymianie ogniw konieczne jest dokładne określenie parametrów ogniwa. Pamiętać należy, że zamiana jednego ogniwa na ogniwo innego rodzaju nie jest zalecana i może doprowadzić do usterki całej baterii. Jest to spowodowane przede wszystkim możliwością niedoładowania lub przeładowania ogniwa podczas ładowania baterii. Ogniwo to może charakteryzować się ponadto inną pojemnością, napięciem oraz rezystancją wewnętrzną od pozostałych. W przypadku naprawy należy więc polegać na doświadczeniu i możliwościach firmy tym się zajmującej. Podmiot zajmujący się tym ma możliwość określenia rodzaju ogniwa, a także dobrania odpowiedniego ogniwa do danego zastosowania.
