Jak dobře víte, technologie lithium-iontová je pro naše zařízení čím dál tím důležitější. Ne všichni si však uvědomují, jak běžné jsou v životě každého z nás. Lithium-iontová baterie už není jen pro notebooky ale i pro aku nářadí, vysavače, drony a dokonce pro auta. Dnes si přečtete, jaké skutečně jsou baterie lithium-iontové, a proč jsou tak žádané.
Historie vývoje li-ion technologií
Už na začátku 20. století byl zaznamenán velký potenciál lithia jako materiálu, který tvoří hlavní složku baterií. Je to kov s nejnižší hustotou, vysokým elektrochemickým potenciálem a vysokým poměrem energie k hmotnosti. Americký chemický fyzik George Newton Lewis už v roce 1912 začal experimentovat s lithiovými bateriemi, ale na trh se objevily až v roce 1970. První velký krok při tvorbě lithium-iontových článků nastal v roce 1979.
Profesoři John Goodenough a Kiochi Mizushima na Oxfordské univerzitě vytvořili nový typ iontové baterie, ve kterém může lithium putovat od jedné elektrody k druhé ve formě iontů. Toto je základ pro současné lithium-iontové baterie. Níže je znázorněný schéma činnosti baterie. Během nabíjení se lithium-ionty pohybují od uhlíkové anody k katodě z oxidu lithia a jiných kovů, a jsou tam uloženy. Během vybíjení se tento proces vrací... ale o konstrukci a provozu si povíme až později.
Na první komerční lithium-iontovou baterii jsme nečekali až do roku 1991. Společnost Sony ji zavedla do svých kamer a další společnosti následovaly kroky tohoto japonského obra. Velká výhoda lithium-iontové technologie v porovnání s tehdy dominantním nikl-kadmium byla velmi rychle rozpoznána. Výhodou byla nejen velká hustota, co umožnilo akumulovat dvojnásobně větší zatížení v baterii stejné velikosti, ale i vysoké napětí článků na úrovni 3,6V.Bunky niklu a kadmia získaly 1,2V, takže bychom potřebovali až tři na získání podobného napětí. Další výhody, které tlačí Li-ion dopředu je nedostatek efektu paměti, nízká škodlivost pro životní prostředí a pomalejší samovybíjení.
Konstrukce lithium-iontové baterie
Na začátku by bylo vhodné oddělit dva pojmy, které budeme používat v tomto segmentu – články a baterie.
Články – základní zařízení na skladování energie z elektrod, separátorů a elektrolytů. Teoreticky se samotná buňka mohla fungovat jako baterie, ale v případě lithium-iontové by to bylo nebezpečné i vďaka riziku přehřátí. Dobíjecí lithium-iontové baterie mohou mít různé tvary, ale nejčastěji používanou formou válcových článků je 18 650. Toto číslo představuje průměr přibližně 18 mm a délku přibližně 65 mm. Takovéto články dosahují maximální kapacitu 3500 mAh, ale proud, který mohou odrážet se může lišit v závislosti od jejich konstrukce. Články mohou mít různou chemickou strukturu, která významně ovlivňuje jejich parametry. Nejoblíbenější verzí je lithium-kobalt, pro konstrukci článků, manganu, titanu, hliníku nebo niklu v různých směsích a podílech. Většina z těchto možností se však nevyplatí.
Baterie – jsou zařízení sloužící na skladování elektrické energie a je navržené tak, aby poskytovalo tuto energii bezpečným způsobem. Pro potřeby tohoto článku se omezíme na definici lithium-iontové baterie jako opakovaně použitelná baterie – může se nabíjet a vybíjet. Baterie může obsahovat libovolný počet článků. Většina lithium-iontových baterií se skládá z výše uvedeného čísla 18650 článků zapojených do série s vyšším napětím. Stejné články mohou tvořit baterii do notebooku s napětím 10,8 V (6 článků připojených 3S2P, tj. tři série a 2 paralelně) tak i velké baterie Tesla P100D napětí více než 400 V a maximální výkon 451 kW. Tato baterie se skládá z více než 7000 článků typu 18650, podobných jako na obrázku výše. Vše však naznačuje tomu, že tato technologie se změní na jiný typ lithia. Společnost Tesla spolu se společností Panasonic vyvíjí nový typ článku ve formátu 2170 s jinou chemickou strukturou. Zatím se však tento plán omezuje jen na model Tesla Model 3, první auto průkopníka americké technologie.
Výkon a životnost lithium-iontové baterie
Provozní doba lithium-iontové baterie závisí od dvou aspektů:
- Kapacita
- Spotřeba energie
Kapacita v případě li-ion baterií se obvykle vyjadřuje prostřednictvím mAh a pro každou baterii se mění v důsledku používání. Maximální kapacita baterie do notebooku velikostí 4400 mAh se po roce používání může změnit, například až na 4000 mAh. To samozřejmě hlavně ovlivňuje provozní dobu zařízení.
Druhým aspektem je spotřeba energie. V případě notebooku nebo telefonu může spotřeba energie vyplývat z mnoha aspektů, jako například jas obrazovky, využívání procesoru, používání internetu a dokonce i věk a teplota samotného zařízení. V závislosti od těchto aspektů se provozní doba může výrazně lišit. Třeba také pamatovat na to, že lithium-iontová ztrácí svůj náboj i tehdy, když se nehýbe nebo nevyužívá.
Další vývoj lithium-iontové baterie?
Pravdou je, že technologie li-ion a její podobná lithium-polymer jsou stále dominantní ve většině přenosných zařízení. To však neznamená že nedosahujeme žádný pokrok. Existuje mnoho zlepšení, které tlačí mobilní technologie dopředu. Určitě jednou z nich je i technologie kterou jsme zmínili výše, vytvořená společností Tesla. Později došlo k vylepšení v souvislosti s používáním grafenu. Pokud najdete jednoduchý a levný způsob získání grafenu, určitě se může použít na zlepšení lithium-iontových článků. V dané chvíli se s vámi loučíme s vírou, že jsme Vám dostatečně osvětlili princip baterie li-ion.