Через п'ятдесят років після появи літій-іонних акумуляторів легко оцінити їхню цінність. Вони використовуються в ноутбуках, мобільних телефонах, електроінструментах та електрокарах. Світові продажі батарей перевищують $45 мільярдів на рік, а в наступному десятилітті можуть сягнути понад $100 мільярдів.

І все ж цьому трансформаційному винаходу знадобилося майже два десятиліття, щоб вийти з лабораторії: численні компанії в США, Європі та Азії досліджували цю технологію, але так і не змогли до кінця зрозуміти її потенціал.

Що таке літій-іонні акумулятори, коли з’явилися, які можливості та переваги мають, читайте нижче.

Що таке літій-іонні акумулятори

Літій-іонний акумулятор (Lithium-ion battery, Li-ion) ― це тип електричного акумулятора, який працює на основі літій-іону. Літій має низьку щільність та є хорошим провідником і накопичувачем енергії. Саме тому він став ідеальним матеріалом для виготовлення літій-іонних батарей.

Li-ion складається з чотирьох компонентів:

• Катод. Визначає ємність та напругу батарейки, є джерелом іонів літію.
• Анод. Пропускає електричний струм через зовнішній ланцюг, і коли батарея заряджається, іони літію накопичуються в аноді.
• Електроліт. Складається з солей, розчинників і добавок та служить провідником іонів літію між катодом і анодом.
• Сепаратор. Фізичний бар'єр, який розділяє катод і анод.

Загалом батареї поділяються на первинні, які можна використовувати лише один раз та вторинні, які можна перезаряджати і використовувати багато разів. Літій-іонні акумулятори ― вторинні. Порівняно з іншими типами батарей, їх можна зробити меншими і легшими, а також вони можуть зберігати велику кількість електроенергії.

Акіра Йосіно, Стенлі Віттінгем, Джон Гуденаф. Фото: 24tv.ua

Як з’явилися літій-іонні акумулятори

Під час нафтової кризи 1970-х років Стенлі Віттінгем, англійський хімік, який на той час працював у компанії Exxon Mobile, почав досліджувати ідею нової батареї ― такої, яка могла б самостійно заряджатися за короткий проміжок часу і, можливо, одного дня призвела б до використання енергії без викопного палива.

Спочатку вчений спробував використати дисульфід титану та металевий літій як електроди. Але така комбінація створила низку проблем, включаючи серйозні проблеми з безпекою. Після того, як батареї замкнуло і вони загорілися, компанія Exxon вирішила припинити експеримент.

Однак Джон Гуденаф вагадав іншу ідею. У 1980-х роках він експериментував, використовуючи літій-кобальтовий оксид як катод замість дисульфіду титану. Це принесло свої плоди: батарея подвоїла свій енергетичний потенціал.

П'ять років потому Акіра Йосіно з університету Мейджо в Японії, зробив ще одну заміну. Замість хімічно активного металевого літію в якості анода він спробував використати вуглецевий матеріал ― нафтовий кокс, що призвело до революційного відкриття: нова батарея не тільки була значно безпечнішою, але й її продуктивність була стабільнішою. Так з'явився перший прототип літій-іонної батареї.

Разом ці три відкриття призвели до створення літій-іонного акумулятора, яким ми його знаємо сьогодні.

Типи літій-іонних акумуляторів

Li-ion діляться залежно від металу, який використовується для катода.

Кобальтові (LiCo)
У ролі катода використовується оксид кобальту. Такі батареї першими поставили на рейки масового виробництва, оскільки літій-кобальт оксид відносно легко синтезувати та обробляти. Їх використовували у перших моделях ноутбуків та мобільних телефонах. Вони мають високу щільність енергії, але невеликий життєвий цикл.

Марганцеві (Li-Mn)
Оксид марганцю використовується як катод. Ці батарейки мають вищу стійкість до перенапруження та більший термін служби. А ще марганець дешевший за колбальт.
Недолік ― марганець може розчинятися в електроліті під час заряджання та розряджання, скорочуючи термін служби.

Літій-залізо-фосфатні (LFP)
Залізо-фосфат використовується як катод. Переваги цих акумуляторів ― їхня структура не руйнується навіть при нагріванні, вони безпечні та коштують дешевше, ніж марганцеві літій-іонні акумулятори. Однак їхня напруга нижча, ніж в інших літій-іонних батарей.

Літій-нікель-марганець-кобальт-оксидні (NMC)
З назви зрозуміло: вони поєднують в собі різні матеріали, а тому мають хорошу компромісну характеристику між ємністю і терміном служби. Здебільшого вони живлять електрокари, адже їхня ємність більша ніж у LFP-батареях. А тому вони потребують менше місця та везуть довше. Але у NMC-батарей відносно невеликий термін роботи.

Використання кобальту, нікелю та марганцю все ще пов'язане з певними труднощами, такими як складність синтезу кожного матеріалу та низька стабільність.

Схема роботи літій-іонних батарей

Наскільки безпечні li-ion

Літій-іонні акумулятори, які зберігають енергію з високою щільністю на одиницю об'єму, вимагають більше уваги до безпеки, ніж інші типи батарей. Крім того, оскільки вони використовують легкозаймистий органічний розчинник, з ними потрібно поводитися обережніше, ніж з іншими батареями на водному розчині.

Найважливіше, чого слід уникати, ― внутрішнього короткого замикання. Це стан, який виникає, коли сила, прикладена ззовні, деформує батарею, в результаті чого катод і анод з'єднуються. Коли струм концентрується на цьому з'єднанні, температура підвищується, і батарея загоряється. Навіть найменші домішки можуть спричинити внутрішнє коротке замикання, забруднивши внутрішню частину акумулятора. Тому важливо мати функцію запобігання нещасним випадкам, таку як забезпечення захисного контуру, щоб в батареї не протікав надмірний струм.

Крім того, важливо контролювати температуру самого акумулятора, наприклад, за допомогою охолоджувального пристрою, щоб підтримувати температуру в середовищі використання акумулятора не вище 60°C. Для підвищення безпеки було розроблено різні методи, наприклад, сепаратор, мембрану, яка відокремлює катод від анода, повністю перекриває простір між ними, коли температура піднімається вище певного рівня.

Переваги літій-іонних акумуляторів

• Менші за розміром і потужніші, ніж інші батарейки. Порівнюючи характеристики різних типів батарей при однакових розмірах, максимальна напруга, яку вони можуть видавати, становить 2,1 В для свинцево-кислотних батарей, 1,2 В для нікель-метал-гідридних батарей і 1,25 В для нікель-кадмієвих батарей. Літій-іонні батареї можуть видавати напругу від 3,2 до 3,7 В.
• Витримують багаторазове заряджання та розряджання. Li-ion не використовують хімічні реакції, як інші вторинні акумулятори, для виробництва електроенергії. Їхні електроди менше руйнуються, що дозволяє їм добре витримувати багаторазове заряджання та розряджання.
• Можуть швидко заряджатися. Головна особливість літій-іонних акумуляторів ― їх можна швидко заряджати. Зарядний пристрій сам визначає, коли зарядка закінчена.
• Підтримують бездротову зарядку. Бездротова зарядка, або зарядка без зарядного кабелю, також можлива для вторинних акумуляторів, крім літій-іонних, так само як і швидка зарядка. Однак, оскільки технологія бездротового заряджання була створена в 2007 році, що робить її відносно новою, вона була прийнята для літій-іонних акумуляторів, які, як і очікувалося, набули широкого розповсюдження. Зараз проводяться дослідження системи, яка дозволить в майбутньому заряджати електромобілі, просто припаркувавши їх на стоянці.
• Стійкі до природного розряду (саморозряду). Саморозряд ― природний розряд батареї, навіть коли вона не використовується. Наприклад, коли ви хочете завести двигун автомобіля, на якому не їздили понад місяць, то не зможете повернути стартер через низьку напругу.

Цей так званий стан «розрядженого акумулятора» спричинений саморозрядом. Він відбувається, коли хімічна реакція поступово протікає, навіть якщо акумулятор просто перебуває в неактивному стані. Ось чому літій-іонні акумулятори, в яких реакція дещо відрізняється від реакції, яка відбувається в інших вторинних батареях, майже не саморозряджаються.

До речі, у випадку зі смартфонами та ПК, оснащеними літій-іонними акумуляторами, батарея може розряджатися навіть тоді, коли пристрій не використовується. У цьому випадку це пов'язано з тим, що пристрій не повністю вимкнений і споживає невелику кількість електроенергії, навіть коли екран вимкнений.

Використання літій-іонних батарей в повсякденному житті

Смартфони, комп'ютери та цифрові камери стали меншими, легшими та довговічнішими після того, як в них почали використовувати літій-іонні.

Електромобілі спочатку оснащувалися нікель-метал-гідридними батареями. Однак зараз їх замінили на li-ion через їхню потужність та низький рівень саморозряду.

Літій-іонні акумулятори також застосовуються в невеликих побутових приладах: бездротових пилососах та прасках, транспортних засобах, таких як електровелосипеди та електромотоцикли, а також для зберігання електроенергії, виробленої протягом дня за допомогою домашньої сонячної електростанції.

Як застосовуються літій-іонні акумулятори в промисловості

Здебільшого для бездротового керування роботами та дронами, для датчиків інтернету речей, встановлених у різних місцях, і спеціальних транспортних засобів, таких як підводні човни та ракети.

З іншого боку, літій-іонні акумулятори мають обмежену щільність енергії, їх неможливо використовувати там, де потрібна більша потужність. Наприклад, вони можуть використовуватися для живлення електродвигунів електромобілів, але реалізувати літаки на їхній основі, поки технологічно складно. Але потенціал lithium-ion battery ще не вивчений до кінця, тому хто знає, що там буде у майбутньому.

Toyota Motor Corp. планує випустити електромобіль, який працює від повністю твердотільного акумулятора, вже у 2027 році

Чи є заміна li-ion

Одна з альтернатив ― натрій-іонні батареї (Na-ion). Проте у них менша енергоємність. Тобто за умови, що вони будуть таких самих розмірів, що і їхні літій-іонні аналоги, то тоді і електрокар менше проїде, і телефон швидше розрядиться.

Твердотілі. В них замість рідких або полімерних гелевих електролітів використовують тверді електроди і твердий електроліт. Вони більш стійкі до коливання температур, а тому більш безпечні, ще й з вищою щільністю енергії. Але поки значно дорожчі у виробництві. Хоча вже є компанії, які вважають, що майбутнє саме за твердотілою батареєю.

Наприклад, Honda. На 2024 рік вона анонсувала випуск електричного кросовера Honda Prologue саме з таким типом батареї. Очікується, що на одному заряді він зможе проїхати майже 500 км.

Водночас Toyota обіцяє електромобілі на твердотілих батареях із запасом ходу до 1200 км та швидкістю заряджання до 10 хвилин. Щоправда, їх презентують лише у 2027 році.

Ще одна альтернатива — водневі паливні елементи. В таких батареях водень використовується як паливо, а кисень, зазвичай з повітря, як окислювач. В результаті, хімічна енергія перетворюється на електричну. Один з головних недоліків такої технології — відсутність необхідної інфраструктури, тобто АЗС.

Інший перспективний напрямок — графенові батареї. Графен відкрили у 2004 році. Це двовимірний матеріал, одна з алотропних форм вуглецю. Він має багато хороших характеристик та є чудовим провідником електричного струму, мало важить і має міцну фізичну структуру.

У 2021 році китайська компанія GAC заявила, що вона створила графенові акумулятори, які лише за 8 хвилин здатні зарядитися на 85%. Але графен теж дуже дорогий, тому його комерційне та масове використання наразі залишаються лише фантазіями.

Раніше ми розповідали, якими будуть авто майбутнього та які технології у них використовуються.