Lithium-iontový akumulátor

Li-Ion baterie z mobilu Samsung

Cylindrický článek 18650 před uzavřením

Lithium-iontová baterie (zkráceně Li-Ion baterie) je druh nabíjitelné baterie běžně používané ve spotřební elektronice. Kvůli vysoké hustotě energie vzhledem k objemu se výborně hodí pro přenosná zařízení. V současnosti je to v této oblasti asi nejpoužívanější typ. Chemický princip je velmi podobný jako v lithium-polymerových bateriích.

Vývoj

První experimenty prováděl G. N. Lewis v roce 1912. Návrh proběhl roku 1960, poté byla baterie vyvíjena hlavně v Bellových laboratořích. První prodejní verzi vyrobila firma Sony v roce 1991. Akumulátory jsou jedna z možností, jak vyřešit nestabilní dodávku energie z obnovitelných zdrojů (především solární a větrné elektrárny), avšak jedná se o nákladné řešení.

Zásoby lithia se odhadují na pokrytí výroby akumulátorů pro 10 miliard automobilů. Při odhadovaném počtu automobilů a životnosti akumulátorů nelze očekávat pokrytí spotřeby do konce 21. století, pokud se od poloviny století budou vyrábět pouze elektromobily.

Technologie

Anoda je vyrobena z uhlíku, katoda je oxid kovu a elektrolyt je lithiová sůl v organickém rozpouštědle.

Základní zjednodušená chemická reakce:

$\mathrm {Li} _{\frac {1}{2}}\mathrm {Co} \mathrm {O} _{2}+\mathrm {Li} _{\frac {1}{2}}\mathrm {C} _{6}\leftrightarrows \mathrm {C} _{6}+\mathrm {Li} \mathrm {Co} \mathrm {O} _{2}$

Nabíjení je endotermická chemická reakce (odebírá z okolí teplo, čímž se okolí ochlazuje), která se však měřitelně projeví jen na počátku nabíjení, poté ji převýší ostatní zdroje generovaného tepla (vlivem procházejícího proudu, resp. pohybu iontů v materiálu). Řídící obvod pro nabíjení pomocí teplotního čidla sleduje vnitřní teplotu a pokud se začne akumulátor přehřívat, dojde k omezení nabíjecího proudu (nebo zastavení nabíjení), aby nedošlo k překročení bezpečné teploty (většinou 45 °C). Vybíjení je exotermická reakce a k zahřívání akumulátoru dochází po celou dobu vybíjecího cyklu. Opět je vhodné sledovat teplotu akumulátoru a případně proudový odběr omezit, aby nedošlo k přehřátí akumulátoru (nad 60 °C), protože vysoká teplota způsobuje zkrácení životnosti nebo až úplnou destrukci akumulátoru. Při stejné rychlosti generuje nabíjení více tepla než vybíjení.

Napětí

Jmenovité napětí Li-ion článku dané normami je 3,6 V, případně 3,7 V (USA), v případě baterií s více sériově zapojenými články pak jeho násobky (7,2 - 10,8 - 14,4 - 18 V), ale může se lišit podle konkrétního typu článku. Skutečné výstupní napětí záleží na typu článku a může se pohybovat až mezi 2,5 – 4,2 V (vybitý – nabitý článek). Napětí článku slouží k indikaci míry vybití akumulátoru a řídící obvody zamezují překročení hranic stanovených výrobcem. Překročení hranic zkracuje životnost článku a může ho i zničit. Vlivem samovybíjení může napětí klesnou pod spodní hranici, což také vede k poškození článku, a proto je potřeba články udržovat v přiměřeně nabitém stavu.

Výhody

• Může být vyrobena v různých tvarech.
• Velmi vysoká hustota energie – 200 Wh/kg, 530 Wh/l – třikrát vyšší hodnota než starší typy jako Ni-MH.
• Relativně vysoká kapacita s malým objemem a hmotností.
• Téměř žádné samovybíjení (do 5 %).
• Není ji třeba formovat – několikrát nabíjet a vybíjet před prvním použitím.
• Vysoké nominální napětí: 3,6 V
• Životnost 500–1200 nabíjecích cyklů.

Nevýhody

• Baterie stárne, tedy ztrácí maximální kapacitu nehledě na to, jestli je nebo není používána (již od výroby). Rychlost tohoto stárnutí se zvyšuje s vyšší teplotou, vyšším stavem nabití, a vyšším vybíjecím proudem/zatížením.
• Nebezpečí výbuchu nebo vznícení při nesprávném používání (zkratování, nabíjení na vyšší kapacitu než je baterie schopna pojmout).
• Vadí jí úplné vybití. Když se dostane pod napětí 2,8 V, je velmi těžké ji znovu „oživit“.

• Proto baterie, která je dlouhou dobu ponechána vybitá, může „zemřít“ (sama se vybít pod přípustnou hodnotu).
• Recyklace je zatím velmi obtížná a nákladná. Dostupné metody recyklace jsou přibližně pětkrát nákladnější než těžba nových surovin. Méně než 1 % baterií je recyklovatelné.
• Akumulátory jsou nebezpečím pro životní prostředí.

Jak prodloužit životnost

• Skladujte a používejte je při nižších teplotách (5-15°C). S rostoucí teplotou životnost klesá. Zchlazení na -35°C životnost nenaruší. Vnitřní elektrolyt ale zmrzne okolo −40°C.
• Nenechávejte zbytečně dlouho plně nabité nebo úplně vybité baterie stát.
• Neudržujte je stále při 100% nabití. Ideální je udržovat akumulátor mezi 20%-80% kapacity. Při 40% nabití je životnost zhruba 3x delší.
• Nevybíjejte do úplného vybití. Dlouhodobé vybití vede k jejímu zničení.
• S hloubkou vybíjení (DoD) se životnost baterie snižuje. Občasné vybíjení, které je často doporučováno, rekalibruje sice indikátor nabití, ale životnosti baterie neprospívá.

Recyklace

Recyklace lithiových článků a akumulátorů dosahuje zatím globálně pouze 1 %. Naopak globální recyklace olověných akumulátorů, které jsou zatím nejrozšířenějším akumulátorem na světě, dosahuje globálně 99 % a představují tak cirkulární ekonomiku.

Zvětšení podílu recyklace u lithiových baterií brání jednak jejich rozmanitost a jednak nákladnost celého procesu. Recyklace je prováděna suchou (rozdrcení a tavba), mokrou cestou (rozdrcení a chemicky). Větších úspěchů by mohl dosáhnout proces, při kterém je nejprve baterie rozebrána na jednotlivé díly a ty jsou pak odděleně recyklovány. Tomu však brání rozmanitost lithiových baterií (tvary i technologie) a náročnost celého procesu (jak energetická a chemická, tak zátěží životního prostředí), a proto jsou baterie zatím vyráběny z nově vytěženého lithia. Použité lithiové baterie jsou ukládány na skládky s jiným odpadem (nebo spalovány).

Odkazy

Související články

• Akumulátor
• Olověný akumulátor
• Nikl-kadmiový akumulátor
• Nikl-metal hydridový akumulátor
• Lithium-polymerový akumulátor

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu lithium-iontový akumulátor na Wikimedia Commons
• BatteryUniversity.com
• Laptop Battery Questions Answered
• Laptop Li-Ion Battery guide na electronics-lab.com
• Belza.cz
• Používání Li-Ion akumulátorů v praxi v Abecedě baterií a akumulátorů
• Životnost akumulátorů v bezdrátových sluchátkách^{[nedostupný zdroj]}
• ^{[nedostupný zdroj]}http://www.battex.info/hermeticke-akumulatory/povery-a-myty-o-hermetickych-akumulatorech/pametovy-efekt-memory-effect

Autoritní data	NKC: ph891858 GND: 7681721-0 NDL: 01090550