W miarę wzrostu zainteresowania ekologicznymi i bez emisyjnymi rozwiązaniami transportowymi, baterie litowo-jonowe stały się kluczowym elementem napędu pojazdów elektrycznych (EV). Dzięki ich wydajności i pojemności energetycznej, samochody elektryczne stały się bardziej praktyczne i konkurencyjne na rynku. Warto bliżej przyjrzeć się budowie tych zaawansowanych baterii, aby zrozumieć, jak odbywa się magia ich działania.

Budowa baterii Litowo-jonowych:
Baterie litowo-jonowe składają się z kilku głównych komponentów, które współpracują ze sobą, aby dostarczać niezbędną moc do napędu pojazdu. Główne elementy baterii to:

  • Anoda: Anoda to elektroda (dodatnia), na której zachodzi proces utleniania podczas rozładowywania baterii. W bateriach litowo-jonowych, anodę wykonuje się z węgla, a bardziej zaawansowane baterie mogą używać krzemu w celu zwiększenia pojemności, są też używane inne rodzaje metali, prób jest wiele, a każda sprawdza jak dany pierwiastek wpływa na ogólną pracę i trwałość całej baterii.

  • Katoda: Katoda to elektroda (ujemna), na której zachodzi proces redukcji podczas rozładowywania baterii. W bateriach litowo-jonowych, katodę wykonuje się z tlenków metali, takich jak tlenek kobaltu (LiCoO2), tlenek niklu, tlenek manganu lub ich kombinacji.

  • Elektrolit: Elektrolit jest substancją umożliwiającą przenoszenie jonów między anodą a katodą. W bateriach litowo-jonowych elektrolitem jest zazwyczaj ciecz lub cienka warstwa żelu, zawierająca sole litowe.

  • Separator: Separator jest materiałem izolującym, który oddziela anodę od katody i zapobiega zwarciom elektrochemicznym. Zazwyczaj jest to bardzo cienka folia wykonana z polimerów.

Jednym z niepożądanych zjawisk w bateriach z którym walczą chyba wszyscy producenci baterii trakcyjnych jest zjawisko powstawania dendrytów.

  • Dendryty:  to struktury w postaci nitek lub igieł, które mogą rosnąć na anodzie podczas procesu ładowania i rozładowywania baterii. Mogą one powodować zwarcia i uszkodzenia baterii, co prowadzi do utraty wydajności, a nawet do awarii całej baterii.

Bateria litowo-jonowa jest wyjątkowym układem elektrochemicznym, który umożliwia przechowywanie i uwalnianie energii poprzez przemieszczanie jonów między elektrodami w trakcie procesu ładowania i rozładowywania.

Jak działa?

Podczas Ładowania: Gdy bateria jest ładowana, prąd elektryczny jest dostarczany do baterii poprzez zewnętrzny obwód. Proces ten powoduje migrację jonów litu (Li+) z katody (elektroda dodatnia) do anody (elektroda ujemna). Katoda jest zazwyczaj wykonana z tlenków metali, takich jak tlenek kobaltu, który ulega reakcji chemicznej, uwalniając jony litu. Anoda, z kolei, może być wykonana z węgla lub innych materiałów, które mogą pochłonąć jony litu. Jak to opisałem wyżej w tekście.

Podczas Rozładowywania: Kiedy bateria jest używana, proces zachodzi odwrotnie. Jony litu w anodzie migrują z powrotem do katody poprzez elektrolit, tworząc prąd elektryczny, który może być wykorzystany do zasilania urządzeń elektrycznych, takich jak silniki samochodu. Reakcje chemiczne na katodzie powodują absorpcję jonów litu z elektrolitu i przekształcenie ich w związki chemiczne, przechowując w ten sposób energię.

Zasada krążenia jonów:
Istotą działania baterii litowo-jonowej jest cyrkulacja jonów litu między elektrodami poprzez elektrolit. Elektrolit jest substancją, która pozwala na przenoszenie jonów między elektrodami, jednocześnie izolując je od siebie. Gdy bateria jest ładowana, jony litu są wydzielane z katody i migrują przez elektrolit do anody, gdzie są absorbowane. W trakcie rozładowywania, jony litu są uwalniane z anody i migrują z powrotem do katody, tworząc prąd elektryczny.

Ten cykl krążenia jonów litu między elektrodami podczas procesu ładowania i rozładowywania jest kluczowym mechanizmem działania każdej baterii litowo-jonowej. Dzięki tej zasadzie, baterie te oferują wysoką gęstość energii, szybkie ładowanie i długą żywotność, co sprawia, że są idealnym wyborem dla zasilania samochodów elektrycznych oraz wielu innych urządzeń mobilnych i przenośnych.

Surowce i Ekologia:

Baterie litowo-jonowe zawierają metale takie jak lit, kobalt, nikiel i mangan. W przypadku baterii o wielkości 100 kWh, ilości surowców mogą być różne, ale przykładowo, bateria o pojemności 100 kWh może zawierać około 10-20 kg litu, 10-20 kg kobaltu oraz różne ilości niklu i manganu (w zależności od producenta baterii i używanej przez niego technologii). 

Jednym z wyzwań ekologicznych związanych z produkcją baterii jest zapewnienie zrównoważonej i odpowiedzialnej eksploatacji surowców oraz recyklingu baterii po zakończeniu ich żywotności.

W miarę jak technologia baterii litowo-jonowych nadal ewoluuje, producenci koncentrują się na zwiększaniu pojemności, wydajności i bezpieczeństwa, aby uczynić samochody elektryczne jeszcze bardziej atrakcyjnymi i dostępnymi dla masowego rynku. Ostatecznie, rozwój tej technologii ma potencjał przyczynić się do dalszej poprawy sytuacji środowiska naturalnego i przyspieszenia przejścia na zrównoważoną energię.

Przyszłość Baterii Litowo-jonowych: Innowacje i wyzwania:

Baterie litowo-jonowe stanowią kamień milowy w dziedzinie technologii przechowywania energii, jednak przyszłość tych baterii kryje wiele obietnic i wyzwań. W miarę jak samochody elektryczne stają się coraz popularniejsze, producenci i naukowcy dążą do opracowania nowych rozwiązań, które poprawią wydajność, żywotność i ekologiczność baterii. Jeszcze bardziej zwiększą gęstość energii którą możemy przechowywać w ogniwach, tak aby przy zachowaniu parametrów bezpieczeństwa, bateria dawała jak największy komfort użytkowania i jednocześnie jak największy zasięg na jednym ładowaniu.

Innowacje w technologii baterii:

Nowe Materiały Katodowe: Naukowcy poszukują nowych materiałów katodowych, które zwiększą pojemność i trwałość baterii. Przykłady to tlenki niklu, żelazo, miedź i inne, które mogą zastąpić droższe i bardziej kontrowersyjne materiały, takie jak kobalt.

Baterie ze stałym elektrolitem: Badania nad bateriami używającymi ciała stałego zamiast cieczy jako elektrolitu są obecnie intensywnie rozwijane. Te baterie mają wyeliminować ciekły elektrolit, co może zwiększyć bezpieczeństwo i pojemność baterii, a także mocno przyspieszyć czas ich ładowania.

Baterie Półprzewodnikowe: Baterie półprzewodnikowe są obiecującym kierunkiem badań. Te baterie wykorzystują materiały półprzewodnikowe jako elektrody, co może poprawić wydajność i żywotność baterii, jak w przypadku baterii ze stałym elektrolitem. Cel jest zawsze ten sam. Lepiej, dalej, szybciej i bezpieczniej!

Bezpieczeństwo:
Mimo postępu w dziedzinie bezpieczeństwa baterii, istnieje nadal potrzeba doskonalenia zabezpieczeń i mechanizmów ochronnych, aby minimalizować ryzyko pożarów czy eksplozji. Choć aut elektrycznych zapala się dużo mniej niż spalinowych czy hybryd, priorytetem producentów zarówno aut jak i samych baterii jest bezpieczeństwo. Myślę, że w najbliższych latach to się nie zmieni a opracowywane nowe technologie w pierwszej kolejności będą stawiały właśnie minimalizacje ryzyka zapłonu pakietu baterii.

Podsumowanie:

Baterie litowo-jonowe stanowią fundament dla samochodów elektrycznych. Dzięki ich ciągłemu rozwojowi i innowacjom, samochody elektryczne stają się coraz bardziej wydajne i praktyczne. Jednak wyzwania związane z recyklingiem, zrównoważoną gospodarką surowcami oraz bezpieczeństwem, wymagają dalszych badań i działań. Przyszłość baterii litowo-jonowych to opowieść o stałym dążeniu do udoskonalenia technologii i przyspieszenia przejścia na ekologiczną i bezemisyjną mobilność.