Lítiové batérie sú neoddeliteľnou súčasťou našich životov už desaťročia a sú potrebné pre rôzne elektronické zariadenia. Prečo sa však batérie na báze lítia stali tak populárne a existujú lepšie alternatívy? Čo by jedného dňa mohlo úplne nahradiť batérie na báze lítia?
Čo sú to lítiové batérie?
Batérie na lítiovej báze (lítium-iónové batérie) sú dnes najbežnejším typom batérií. Myšlienku lítiových batérií prvýkrát navrhol v roku 1976 Michael Stanley Whittingham, britský chemik. Lítiové batérie sa prvýkrát stali komerčne dostupnými v širokom meradle o niekoľko rokov neskôr, v roku 1991, keď sa začali masovo vyrábať.
Lítiová batéria môže mať mnoho podôb, pričom najvýznamnejšie varianty zahŕňajú lítium fosforečnan železitý, oxid lítium-kobaltnatý, oxid lítium-mangánový a lítium-nikel-mangán-kobalt oxid. Tieto batérie obsahujú malé napájacie články, z ktorých každý pozostáva z kladnej elektródy (katódy), zápornej elektródy (anódy) a elektrolytu.
V rámci článku sa lítiové ióny pohybujú medzi kladnými a zápornými elektródami, pričom elektrolyt pôsobí ako vektor pohybu. Lítiové ióny (Li+) majú kladný náboj, a preto sú priťahované k zápornej elektróde. Dve elektródy sa tiež skladajú z kľúčových komponentov. V prípade typickej batérie z oxidu lítneho a kobaltu je katóda vyrobená z oxidu lítneho a kobaltu, zatiaľ čo anóda je zvyčajne vyrobená zo zlúčeniny na báze uhlíka známej ako grafit.
Katóda odovzdá časť svojich kladných lítiových iónov, ktoré potom cez elektrolyt putujú k anóde a uvoľňujú energiu, ktorú batéria využije na svoj výkon. Na tento rýchly a jednoduchý proces sa teraz spoliehajú miliardy ľudí na celom svete ako palivo pre svoje zariadenia.
Mnohé značky lítium-iónových batérií sú na jedno použitie. Aj keď môžu napájať zariadenie týždne, mesiace alebo dokonca roky, po vybití batérie sa musí zlikvidovať a vymeniť. však nabíjateľné batérie na báze lítia sú teraz veľmi populárne, pretože môžu používateľom ušetriť peniaze a produkovať menej odpadu.
Prečo sú však batérie na báze lítia tou najlepšou voľbou? Čo z nich robí tak atraktívnu možnosť pre výrobcov a spotrebiteľov?
Prečo používame lítiové batérie?
Používame hlavne lítiové batérie kvôli ich dlhej životnosti v porovnaní s inými typmi batérií. Výrobcovia chcú vyrábať a predávať batérie, ktoré dodávajú energiu niekoľko dní, pričom zostávajú ľahké a kompaktné. Ďalej podľa Inštitút čistej energieLítium-iónové batérie majú veľmi nízke samovybíjanie, približne 1 – 2 % za mesiac, čo znamená, že pri každom použití strácajú menšie percento celkovej kapacity energie.
Lítium-iónové batérie dokážu produkovať energiu jednoduchým chemickým procesom, čo z nich robí veľmi atraktívnu možnosť pre výrobcov. Okrem toho, hustota energie lítium-iónových batérií z nich robí najvýhodnejšiu možnosť. Štandardná lítium-iónová batéria má kapacitu 260 – 270 Wh/kg (watthodín na kilogram), zatiaľ čo olovené batérie môžu dosiahnuť kapacitu iba 50 – 100 Wh/kg (podľa Energia vážok). Energetická hustota lítium-iónových batérií je tiež kľúčovým dôvodom, prečo sú bežne používané v elektrických vozidlách.
Kvôli týmto faktorom sú lítiové batérie obľúbené medzi širokou verejnosťou a ich nákup nie je drahý. Zatiaľ čo niektoré značky alebo modely batérií môžu mať vyššiu cenu, štandardné batérie na báze lítia sú vo všeobecnosti cenovo dostupné a dostupné v miliónoch obchodov po celom svete.
Lítium-iónové batérie však v žiadnom prípade nie sú dokonalé. V skutočnosti existuje niekoľko do očí bijúcich problémov spojených s týmto neuveriteľne populárnym zdrojom energie.
Problém s lítiovými batériami
Jedným z najväčších problémov spojených s lítium-iónovými batériami je obrovské množstvo odpadu, ktorý vytvárajú. Mnoho ľudí sa rozhodne likvidovať batérie bežným odpadom, keď sa im vybije energia, čo poškodzuje životné prostredie.
Keď sa lítium-iónové batérie likvidujú spolu s iným bežným, nerecyklovateľným odpadom, skončia na skládke. Keď sa sem dostanú, ich zložky sa môžu vylúhovať a vážne poškodiť okolité prostredie. Lítium, nikel, kobalt a mangán môžu predstavovať vážne riziko kontaminácie a všetky sú prítomné v rôznych typoch batérií na báze lítia.
A čo viac, extrakcia lítia pre tento typ batérie poškodzuje aj našu planétu. Lítium je možné extrahovať ťažbou soli alebo odparovaním, pričom oba procesy majú nepríjemný vplyv na životné prostredie. Kontaminácia, zvýšená slanosť vody, emisie CO2 a strata biodiverzity sú znepokojujúce vedľajšie účinky extrakcie lítia.
Vzhľadom na to, že sa očakáva, že trh s lítiovými batériami vzrastie medzi rokmi 2020 a 2026 o 14,6 percenta (ako uvádza Statista), je pravdepodobné, že proces ťažby lítia bude naďalej predstavovať hrozbu pre životné prostredie. Toto je tiež a rastúce obavy v odvetví výroby elektrických vozidiel.
Aké sú teda alternatívy?
4 najlepšie alternatívy lítiových batérií
1. Batérie na slanú vodu
Oceány so slanou vodou pokrývajú dve tretiny našej planéty. Ako teda možno tento zdroj využiť na výrobu energie?
Batérie so slanou vodou používajú na výrobu energie koncentrovaný soľný roztok. Batérie so slanou vodou obsahujú aj anódu a katódu, pričom soľný roztok pôsobí ako elektrolyt (alebo vektor) pre kladné sodíkové ióny (Na+ ióny). Sodíkové ióny putujú z katódy na anódu a produkujú energiu.
Skutočná morská voda sa nepoužíva v batériách so slanou vodou, ale veľké množstvo soli sa dá zozbierať z oceánu a použiť pre tieto batérie. Použitie slanej vody na výrobu batérií by mohlo byť oveľa menej škodlivé pre životné prostredie ako procesy extrakcie používané pre lítium, kobalt, nikel a iné kovy používané v batériách.
2. Sklenené batérie
Sklenené batérie môžu znieť trochu nezvyčajne, no majú veľký potenciál. Sklenená batéria je relatívne nový nápad, ktorý prvýkrát konceptualizoval fyzik John Goodenough v roku 2017. Táto batéria, známa ako „Goodenough battery“, používa sklo ako elektrolyt. Zatiaľ čo elektrolyty batérie zvyčajne prichádzajú v tekutej forme, sklenená batéria je úplne pevná.
Použitie pevného elektrolytu je podstatne bezpečnejšie ako tekuté elektrolyty, čím sa znižuje možnosť požiaru a eliminuje sa riziko vylúhovania na skládkach. A čo viac, sklenená batéria by mohla vydržať dlhšie ako lítium-iónové batérie, čo z nich robí celkovo udržateľnejšiu alternatívu. Sodík sa používa aj v sklenenej batérii, ktorá, ako už bolo spomenuté pri diskusii o batériách so slanou vodou, je udržateľnejším zdrojom ako tradičné kovy batérií.
3. Sodno-sírové batérie
Sodno-sírové (NaS) batérie sú formou batérie v tekutom stave, ktoré využívajú roztavené anódy a katódy. V tomto prípade sú anóda a katóda v kvapalnej forme, pričom prvá je roztavený sodík a druhá je roztavená síra. Tieto batérie existujú od 60. rokov 20. storočia pred vynájdením lítium-iónovej batérie. Aký potenciál má však NaS batéria v našom svete?
Hlavnou výhodou sodíkovo-sírových batérií je ich vyššia hustota energie ako pri lítium-iónových batériách. V skutočnosti, výskumníci na univerzite v Sydney vytvoril v roku 2022 sodíkovo-sírovú batériu so štvornásobnou energetickou kapacitou oproti lítium-iónovým batériám. Sodno-sírové batérie sú navyše menej toxické ako lítium-iónové batérie, čo je dobrá správa pre životné prostredie.
4. Konopné batérie
Nemysleli by ste si, že konope má potenciál nahradiť lítium-iónové batérie, ale táto rastlina opäť dokázala svoju všestrannosť. Tieto batérie však prichádzajú s upozornením: stále používajú ťažké kovy, ako je lítium.
Eko hodinky uvádza, že jeden príklad batérie poháňanej konopou, ktorú vyvinuli výskumníci v roku 2022, používa pri procese výroby energie lítium a síru. Rozdiel je v tom, že sa nepoužívajú iné ťažké kovy, ako je nikel alebo kobalt, a samotná batéria má lepší výkon ako tradičné lítium-iónové varianty. Je to preto, že konope pomáha katóde predĺžiť jej životnosť prostredníctvom opakovaných cyklov.
Batérie na báze konope sú tiež cenovo výhodnejšie a uvažuje sa o ich použití v elektrických vozidlách. Ak sa chcete dozvedieť o rôznych typoch batérií EV, pozrite si naše venovaný článok na túto tému.
Odvetvie batérií by sa v budúcnosti mohlo stať oveľa ekologickejším
S takými sľubnými alternatívami k lítium-iónovým batériám, ktoré sa už pripravujú, je vzrušujúce premýšľať o budúcnosti priemyslu batérií. Ak sa takéto alternatívy úspešne komercializujú, môžeme zabrániť nespočetným environmentálnym problémom a katastrofám. Celkovo vzaté, je to výhra pre lítium-iónové náhrady!
