Baterie udávají směr v ukládání energie

Baterie jsou zařízení, která ukládají energii a uvolňují ji na požádání. Zatímco běžné baterie generují elektrickou energii přímou přeměnou chemické energie, koncept skladování energie dobře ilustruje přečerpávací „vodní baterie“ Nant de Drance. Nachází se vysoko ve švýcarských Alpách a disponuje kapacitou elektrické akumulace přesahující kapacitu 400 000 baterií pro elektromobily.

Tato vodní baterie funguje pomocí hydroelektrických generátorů a dvou nádrží, jedné horní a druhé spodní. Během špiček se voda z nadmořské výšky uvolňuje k výrobě elektřiny. Když dojde k nadprodukci energie, voda se čerpá zpět a skladuje pro budoucí použití.

Přestože je to fascinující model, vodní baterie se liší od běžných přenosných baterií používaných k napájení významných částí každodenního moderního života. Konvenční baterie jsou elektrochemické články nebo série článků, které produkují elektrický proud.

Jen málo technologií je důležitějších ve snaze snížit emise oxidu uhličitého než elektrochemické baterie. Pohánějí elektrická vozidla, ukládají elektřinu ze solárních panelů a větrných turbín a stabilizují elektrickou síť. V posledních dvou aplikacích jsou baterie nezbytné pro ekonomické rozšíření obnovitelných zdrojů energie.

Given the unique environmental impact of batteries, including miningVzhledem k jedinečnému dopadu baterií na životní prostředí, včetně těžby, likvidace a celého životního cyklu výroby vyžaduje důkladnou analýzu. To zajišťuje, že energetický přechod nevymění jeden soubor problémů životního prostředí za jiný, stejně jako škodlivý.

Elektrochemické články baterií jsou rozděleny do tří hlavních tříd: primární, sekundární a terciární, s různými konstrukcemi článků v rámci těchto širokých kategorií. Použití různých kovů a elektrolytů v rámci těchto klasifikací poskytuje vlastnosti vhodné pro různá koncová použití.

Také známé jako baterie na jedno použití, baterie primárních článků nelze dobíjet a musí být po použití zlikvidovány. Často se používají v přenosných zařízeních, jako jsou baterky a další velká elektronika. Příklady zahrnují suché články, alkalické baterie, zinko-uhlíkové články a lithiové primární články.

Alkalické baterie jsou nejoblíbenějším typem jednorázových baterií. Nejúspornější kategorie, tyto nedobíjecí baterie si udržují stálou rychlost vybíjení po celou dobu své životnosti a poskytují spolehlivý výkon. Přestože jsou alkalické baterie pohodlné, nejsou šetrné k životnímu prostředí kvůli jejich povaze na jedno použití.

Dobíjecí baterie, jinak označované jako sekundární baterie, lze dobíjet a opakovaně používat. Na rozdíl od primárních baterií určených pro jednorázové použití využívají externí elektrický potenciál k obrácení chemické reakce vybíjení, což umožňuje více použití. Tyto články se dodávají v různých chemických konfiguracích, včetně olověných, nikl-kadmiových (Ni-Cd), nikl-metalhydridových (Ni-MH) a lithium-iontových (Li-ion). Dobíjecí baterie jsou obecně dražší než primární baterie a některé vyžadují správné zacházení, aby se zabránilo přehřátí, které by mohlo způsobit požár nebo výbuch.

Terciární baterie jsou nejméně rozšířeným typem baterií. Na rozdíl od primárních a sekundárních baterií jsou jejich články odděleny od ostatních součástí až těsně před aktivací. Elektrolyt je nejčastěji izolovanou složkou.

Rezervní baterie účinně eliminují možnost samovybíjení a minimalizují chemické poškození. Většina záložních baterií je tepelného typu a používají se téměř výhradně ve vojenských aplikacích.

Zbytek tohoto článku se zaměří na dobíjecí lithium-iontové (Li-ion) baterie, které jsou nejběžnějším typem.

Li-ion baterie jsou preferovaným typem pro použití v široké řadě aplikací díky jejich dlouhé životnosti, vysoké hustotě energie a žádoucím napěťovým charakteristikám. Dlouhý seznam zahrnuje drobná naslouchátka, mobilní telefony, počítače, elektrokola, elektrická vozidla a dokonce i masivní úložiště energie v síti.

Li-ion baterie obvykle používají různé materiály pro anodu (záporná elektroda) a katodu (kladná elektroda). Jako elektrodu lze použít jakýkoli vodivý materiál, včetně kovů, polovodičů, grafitu nebo vodivých polymerů.

Pozitivní elektrodové materiály významně ovlivňují výkon, cyklování a životnost Li-ion článků. Elektrolyt přenáší kladně nabité lithium-ionty mezi anodou a katodou, zatímco separátor blokuje tok elektronů uvnitř baterie, což umožňuje průchod lithium-iontů.

Na záporně nabité anodě dochází k oxidační reakci a uvolňuje elektrony, které se pohybují směrem k vnější části obvodu. Většina lithium-iontových baterií používá jako anodový materiál směs grafitu — kombinaci přírodního grafitu těženého ze země a syntetického grafitu, získaného z topného ropného koksu. Výsledná směs má vrstvenou strukturu, která umožňuje lithiovým iontům vstupovat do vrstev během nabíjení a vystupovat během vybíjení.

Katoda je kladná elektroda článku, kde dochází k redukční chemické reakci. Li-ion baterie používají různé katodové materiály, včetně oxidu lithného kobaltnatého, fosforečnanu lithného a lithno-železnatého a oxidu lithného a nikl-manganového. Tyto materiály mohou reverzibilně přijímat a vyhazovat ionty lithia do a z jejich krystalové struktury během nabíjecích a vybíjecích cyklů.

Výrobci Li-ion baterií musí získávat vysoce kvalitní minerály výjimečné čistoty. V důsledku toho více než polovina nákladů na výrobu Li-ion baterií spočívá v katodě a anodě. Montáž katody, separátoru, anod a sběračů proudu také vyžaduje přesné montážní kroky, včetně umístění jednotlivých vrstev a obalování.

Li-ion baterie existují asi 30 let a během tohoto období zaznamenaly exponenciální růst.

Jiné chemické látky dobíjecích baterií, jako je olovo-kyselina, Ni-Cd a Ni-MH, však existují již více než století. Každý z nich má své výhody a nevýhody, jak je uvedeno v následujících částech.

Olověné baterie existují od konce 19. století a dodnes se široce používají. Tyto baterie jsou nákladově efektivní, recyklovatelné a nevyžadují složité systémy správy baterií pro údržbu. Mají však nízkou specifickou energii a omezený počet cyklů ve srovnání s jinými typy. Olověné baterie se používají k napájení invalidních vozíků, golfových vozíků, nouzového osvětlení a automobilů se spalovacími motory. Vzhledem k přítomnosti olova, známého toxinu, musí být po skončení životnosti odborně zlikvidovány.

Ni-Cd baterie se skládají z hydroxidu niklu, kovových kadmiových elektrod a alkalického elektrolytu hydroxidu draselného. Jednou z jejich primárních výhod je potenciál pro rychlé nabíjení, ale doprovodnou nevýhodou je vysoká míra samovybíjení. Kromě toho je kadmium, jako je olovo, toxické.

Baterie Ni-MH poskytují postupná vylepšení oproti Ni-Cd, včetně 30% zvýšení hustoty nabití na objem a mnohem pomalejšího samovybíjení. Jejich nabíjení však trvá déle a jsou zvláště náchylné na snížení kapacity při opakovaném dobíjení.

Li-ion baterie jsou ve srovnání s jinými druhy sekundárních baterií moderním dobíjecím vývojem. Vykazují bezkonkurenční kombinaci vysoké hustoty energie a výkonu spolu s vynikajícím poměrem hmotnosti a energie ve srovnání s předchozími třemi typy. Li-ion baterie jsou však extrémně hořlavé a vyžadují ochranný obvod a opatrné zacházení.

V blízké budoucnosti se očekávají nové generace pokročilých Li-ion baterií. Například lithium-sírové baterie, kde se spotřebovává lithiová anoda a síra se přeměňuje na různé chemické sloučeniny. Pevné baterie mají také potenciál, ale tento koncept se ještě musí přesunout z laboratoře do komerční životaschopnosti.

Uprostřed naší velké energetické transformace nás všechny ovlivňuje budoucnost baterií. To zahrnuje použité materiály, odkud kovy pocházejí a těží a jak se tyto minerály likvidují nebo ideálně znovu používají. Udržitelný vývoj baterií musí vzít v úvahu kritičnost surovin a zaslouženě uvažovat o získávání, likvidaci a případném opětovném použití těchto nerostů.