Литиево-базираните батерии са неразделна част от нашия живот от десетилетия и са необходими за различни електронни устройства. Но защо литиевите батерии станаха толкова популярни и има ли по-добри алтернативи? Какво може един ден да замени напълно базираните на литий батерии?
Какво представляват литиево-базираните батерии?
Литиево-базираните батерии (литиево-йонни батерии) са най-разпространеният тип батерии днес. Идеята за литиеви батерии е предложена за първи път през 1976 г. от Майкъл Стенли Уитингам, британски химик. Литиево-базираните батерии за първи път станаха достъпни в търговската мрежа в широк мащаб няколко години по-късно, през 1991 г., когато влязоха в масово производство.
Базираната на литий батерия може да се предлага в много форми, като най-забележителните варианти включват литий железен фосфат, литиев кобалтов оксид, литиев манганов оксид и литиев никел манган кобалт оксид. Тези батерии съдържат малки захранващи клетки, всяка от които се състои от положителен електрод (катод), отрицателен електрод (анод) и електролит.
В клетката литиевите йони се движат между положителните и отрицателните електроди, като електролитът действа като вектор на движение. Литиевите йони (Li+) имат положителен заряд и следователно се привличат към отрицателния електрод. Двата електрода също са съставени от ключови компоненти. В случай на типична батерия с литиево-кобалтов оксид, катодът е направен от литиево-кобалтов оксид, докато анодът обикновено е направен от съединение на основата на въглерод, известно като графит.
Катодът ще отдаде част от своите положителни литиеви йони, които след това се придвижват до анода през електролита, освобождавайки енергия, която батерията ще използва за своята мощност. Този бърз и лесен процес вече се използва от милиарди хора по света, за да захранва своите устройства.
Много марки литиево-йонни батерии са за еднократна употреба. Въпреки че те могат да захранват устройство в продължение на седмици, месеци или дори години, то трябва да бъде изхвърлено и сменено, след като батерията умре. Въпреки това, презареждаеми литиево-базирани батерии сега са много популярни, тъй като могат да спестят пари на потребителите и да генерират по-малко отпадъци.
Но защо точно литиевите батерии са най-добрият избор? Какво ги прави толкова привлекателна опция за производители и потребители?
Защо използваме литиеви батерии?
Използваме основно литиеви батерии поради дългия им живот в сравнение с други видове батерии. Производителите искат да произвеждат и продават батерии, които доставят енергия за няколко дни, като същевременно остават леки и компактни. Освен това, според Институт за чиста енергия, литиево-йонните батерии имат много нисък саморазряд от около 1-2% на месец, което означава, че губят по-нисък процент от общия си мощностен капацитет всеки път, когато се използват.
Литиево-йонните батерии могат да произвеждат енергия чрез прост химичен процес, което ги прави много привлекателна опция за производителите. Като добавим към това, енергийната плътност на литиево-йонните батерии ги прави най-предпочитаният вариант. Стандартната литиево-йонна батерия има капацитет от 260-270wh/kg (ватчаса на килограм), докато оловно-киселинните батерии могат да достигнат само капацитет от 50-100wh/kg (според Енергия на водните кончета). Енергийната плътност на литиево-йонните батерии също е ключова причина за това често използвани в електрически превозни средства.
Поради тези фактори литиево-базираните батерии са популярни сред широката общественост и не са скъпи за закупуване. Въпреки че някои марки или модели батерии могат да имат по-висока цена, стандартните литиеви батерии обикновено са доста достъпни и се предлагат в милиони магазини по целия свят.
Но литиево-йонните батерии в никакъв случай не са идеални. Всъщност има някои явни проблеми, свързани с този невероятно популярен източник на енергия.
Проблемът с литиево-базираните батерии
Един от най-големите проблеми, свързани с литиево-йонните батерии, е огромното количество отпадъци, което създават. Много хора избират да изхвърлят батериите чрез обикновените отпадъци, след като се изчерпят, което е вредно за околната среда.
Когато литиево-йонните батерии се изхвърлят заедно с други общи отпадъци, които не подлежат на рециклиране, те се озовават на сметище. След като кацнат тук, техните компоненти могат да изтекат и сериозно да навредят на околната среда. Литият, никелът, кобалтът и манганът могат да представляват сериозен риск от замърсяване и присъстват в различни типове базирани на литий батерии.
Нещо повече, извличането на литий за този тип батерии също вреди на нашата планета. Литият може да бъде извлечен чрез добив на сол или чрез изпаряване, като и двата процеса имат неприятен ефект върху околната среда. Замърсяването, повишената соленост на водата, емисиите на CO2 и загубата на биоразнообразие са тревожни странични ефекти от извличането на литий.
Като се има предвид, че пазарът на литиеви батерии се очаква да нарасне с 14,6 процента между 2020 г. и 2026 г. (както се съобщава от Statista), вероятно процесът на извличане на литий ще продължи да представлява заплаха за околната среда. Това също е а нарастваща загриженост в индустрията за производство на EV.
И така, какви са алтернативите?
Топ 4 алтернативи на литиеви батерии
1. Батерии със солена вода
Солените океани покриват две трети от нашата планета. И така, как този ресурс може да се използва за производство на електроенергия?
Соленоводните батерии използват концентриран солен разтвор за производство на енергия. Батериите със солена вода също съдържат анод и катод, като физиологичният разтвор действа като електролит (или вектор) за положителните натриеви йони (Na+ йони). Натриевите йони се движат от катода към анода, произвеждайки енергия.
Действителната морска вода не се използва в соленоводните батерии, но масови количества сол могат да бъдат събрани от океана и използвани за тези батерии. Използването на солена вода за производството на батерии може да бъде много по-малко вредно за околната среда от процесите на екстракция, използвани за литий, кобалт, никел и други метали, използвани в батериите.
2. Стъклени батерии
Стъклените батерии може да звучат малко необичайно, но имат голям потенциал. Стъклената батерия е сравнително нова идея, концептуализирана за първи път от физика Джон Гуденау през 2017 г. Тази батерия, известна като "батерията Goodenough", използва стъкло като електролит. Докато електролитите на батериите обикновено се предлагат в течна форма, стъклената батерия е изцяло твърда.
Използването на твърд електролит е значително по-безопасно от течните електролити, като намалява вероятността от пожари и премахва риска от излугване в сметищата. Нещо повече, стъклената батерия може да издържи по-дълго от литиево-йонните батерии, което ги прави по-устойчива алтернатива като цяло. Натрият се използва и в стъклената батерия, която, както беше споменато при обсъждането на соленоводните батерии, е по-устойчив ресурс от традиционните метали за батерии.
3. Натриево-серни батерии
Натриево-серните (NaS) батерии са форма на батерия в течно състояние, която използва разтопени аноди и катоди. В този случай анодът и катодът са в течна форма, като първият е разтопен натрий, а вторият е разтопена сяра. Тези батерии съществуват от 60-те години на миналия век, преди да бъде изобретена литиево-йонната батерия. Но какъв потенциал има NaS батерията в нашия свят?
Основно предимство на натриево-серните батерии е тяхната по-висока енергийна плътност в сравнение с литиево-йонните батерии. Всъщност, изследователи от университета в Сидни създадоха натриево-сярна батерия с четири пъти по-голям енергиен капацитет от литиево-йонните батерии през 2022 г. Нещо повече, натриево-серните батерии са по-малко токсични от литиево-йонните батерии, което е добра новина за околната среда.
4. Конопени батерии
Не бихте помислили, че конопът има потенциала да замени литиево-йонните батерии, но това растение отново доказа своята гъвкавост. Тези батерии обаче идват с предупреждение: те все още използват тежки метали като литий, за да работят.
Еко часовник съобщава, че един пример за захранвана с коноп батерия, разработена от изследователи през 2022 г., използва литий и сяра в своя процес на генериране на енергия. Разликата тук е, че не се използват други тежки метали, като никел или кобалт, а самата батерия има подобрена производителност спрямо традиционните литиево-йонни варианти. Това е така, защото конопът помага на катода да удължи живота си чрез повтарящи се цикли.
Конопените батерии също са по-рентабилни и се обмислят за използване в електрически превозни средства. За да научите за различните видове батерии за EV, вижте нашия посветен материал по темата.
Индустрията на батериите може да стане много по-екологична в бъдеще
С такива обещаващи алтернативи на литиево-йонните батерии, които вече се разработват, е вълнуващо да се мисли за бъдещето на индустрията за батерии. Ако такива алтернативи бъдат успешно комерсиализирани, можем да предотвратим безброй екологични проблеми и бедствия. Като цяло, това е печеливша за литиево-йонните заместители!