Akumulatory przyszłości

40 lat bateriI li-ion

Akumulatory Li-ion zostały opracowane przez chemika prof. Johna Goodenougha na Uniwersytecie Oksfordzkim w latach 70. Działające ogniwo zostało zademonstrowane w 1980 roku. Jako pierwsza w 1991 roku zaczęła produkować je firma Sony, co umożliwiło rozwój elektroniki użytkowej. Obecnie na świecie produkowane są ogniwa o mocy 28 GWh rocznie, w 2020 r. produkcja ma wynosić 170 GWh rocznie. Dwie trzecie ogniw powstaje w Chinach, czwartym producentem na świecie jest Polska.

Samochody elektryczne

Relatywnie słaba wydajność akumulatorów oraz wciąż wysokie koszty ich produkcji spowalniają także rozwój samochodów elektrycznych, ograniczając ich zasięg oraz radykalnie podnosząc cenę w porównaniu z samochodami spalinowymi. Na przykład Tesla 3, pierwszy elektryczny samochód kierowany do przeciętnego użytkownika, który właśnie trafił do masowej produkcji, jest oferowany ze standardowym akumulatorem o pojemności 60 kWh (350V). To równowartość ok. 170 tys. mAh. Taka pojemność zapewnia zasięg zaledwie 350 km, czyli połowę tego, ile może przejechać auto spalinowe. Sam akumulator od Tesli będzie kosztował mniej więcej tyle, ile klasyczne auto o podobnych rozmiarach, co oczywiście odbija się na cenie samochodu elektrycznego. Najtańsza Tesla 3 kosztuje aż 35 tys. dol, co w polskich warunkach (z podatkami) wynosi ok. 160 tys. zł.

Zasada działania akumulatora litowo-jonowego

Typowe ogniwo Li-ion składa się z warstw folii (katody, izolatora i anody) zwiniętych w rulon zatopiony w elektrolicie i zamknięty w szczelnym cylindrze.

Budowa
Akumulatory przechowują energię w formie chemicznej. Działają dzięki reakcji utleniania i redukcji, która powoduje przepływ prądu między elektrodami. Typowy akumulator Li-ion ma dwie elektrody – katodę wykonaną z tlenku litu oraz anodę z grafitu. Całość jest zanurzona w elektrolicie, który umożliwia rozpuszczanie i przepływ jonów litu między elektrodami. Ostatnim elementem konstrukcji jest bariera oddzielająca elektrody. Ta warstwa jest porowata, tak aby umożliwić przemieszczanie się jonów Li+, ale zapobiegać przepływowi elektronów, tak by nie doszło do zwarcia. Elektrony przepływają zewnętrznym obwodem, do którego podłącza się zasilanie oraz urządzenie korzystające z akumulatora.

Ładowanie
Po podłączeniu akumulatora do źródła prądu rozpoczyna się chemiczny proces rozpuszczania tlenków litu w katodzie i następuje migracja jonów Li+ do anody, gdzie przytwierdzają się one, tworząc wiązanie chemiczne. Wraz z dodatnimi jonami Li+ do anody przepływają elektrony, które gromadzą się tam razem z jonami litu. Dzięki temu akumulator może przechowywać ładunek elektryczny.

Rozładowywanie
Podczas rozładowywania akumulatora, czyli w czasie korzystania ze smartfona lub laptopa, jony Li+ przemieszczają się za pośrednictwem elektrolitu do katody, odtwarzając tam związek tlenku litu. Uwalniane w procesie elektrony przepływają poprzez obwód elektryczny, więc można wykorzystać je do zasilania urządzenia.