V roku 1899 Waldemar Jungner zo Švédska vynašiel niklovo-kadmiový článok (NiCd), v ktorom sa kadmium používalo ako kladná elektróda (katóda) a nikel ako záporná elektróda (anóda). Vysoká cena tohto materiálu v porovnaní s olovom však obmedzovala jeho použitie. To však nič nemení na skutočnosti, že Ni-Cd bola jediná batéria na prenosné použitie. V 90. rokoch 20. storočia sa ochrancovia životného prostredia v Európe začali obávať škôd spôsobených nedbanlivou likvidáciou NiCd. Smernica o batériách 2006/66/ES teraz obmedzuje predaj Ni-Cd batérií v Európskej únii s výnimkou špeciálnych priemyselných aplikácií, kde ich nemožno nahradiť. Alternatívou je dobíjateľný niklovo-metalhydridový článok (Ni-MH), ktorý je šetrnejší k životnému prostrediu a podobný Ni-Cd.

V súčasnosti sa väčšina výskumného úsilia venuje zdokonaľovaniu lítiových systémov, ktoré prvýkrát uviedla na trh spoločnosť Sony v roku 1991. Okrem napájania mobilných telefónov, notebookov, digitálnych fotoaparátov, elektrického náradia a zdravotníckych zariadení sa lítiovo-iónové batérie používajú aj v elektrických vozidlách a satelitoch. Táto batéria má mnoho výhod, najmä vysokú špecifickú energiu, jednoduché nabíjanie, nenáročnú údržbu a šetrnosť k životnému prostrediu.

Trh so sekundárnymi článkami (akumulátormi)

Odhaduje sa, že do roku 2026 budú lítiovo-iónové články tvoriť až 70 % celkového trhu a olovené batérie ďalších približne 20 %. Veľkosť odvetvia lítiovo-iónových článkov mala v roku 2020 hodnotu 40,8 miliardy USD a očakáva sa, že do roku 2026 dosiahne 100,3 miliardy USD1. Trh s nabíjateľnými článkami je poháňaný rastúcim dopytom po prenosných elektronických zariadeniach. Smartfóny a notebooky sú bežnými zariadeniami nielen vo vyspelých krajinách, ale na celom svete. Trh preto stále rastie a zároveň sa kladie čoraz väčší dôraz na ochranu životného prostredia a úlohu, ktorú majú zohrávať výrobcovia elektronických zariadení a komponentov, ako sú práve nabíjateľné články.

Vlastnosti akumulátorov

Pri výbere akumulátora treba zohľadniť tieto vlastnosti:

  • Druh
  • Napätie
  • Krivka vybíjania – je grafom napätia v závislosti od percenta vybitej kapacity. Žiaduca je plochá krivka vybíjania, pretože to znamená, že napätie zostáva konštantné, keď sa batéria opotrebováva.
  • Kapacita – teoretická kapacita batérie je množstvo elektrickej energie zapojenej do elektrochemickej reakcie.
  • Špecifická hustota energie – energia, ktorú možno získať na hmotnostnú jednotku článku (alebo niekedy na hmotnostnú jednotku aktívneho materiálu elektródy). Je to súčin špecifickej kapacity a prevádzkového napätia v jednom úplnom vybíjacom cykle.
  • Hustota výkonu – výkon, ktorý možno získať na hmotnostnú jednotku článku (W/kg).
  • Teplotná závislosť – podľa kinetických teórií závisí rýchlosť reakcie v bunke od teploty. Vnútorný odpor sa mení aj v závislosti od teploty; pri nízkej teplote je vnútorný odpor vyšší. Pri veľmi nízkej teplote môže elektrolyt zamrznúť, čo spôsobí nižšie napätie, pretože pohyb iónov je sťažený. Pri veľmi vysokej teplote sa môžu chemické látky rozkladať alebo môže byť dostatočná energia na aktiváciu nežiaducich vratných reakcií, čím sa znižuje účinnosť.
  • Životnosť – životný cyklus nabíjateľnej batérie je definovaný ako počet cyklov nabíjania/dobíjania, ktoré môže sekundárny článok absolvovať, kým jej kapacita neklesne na 80 % pôvodnej hodnoty. Zvyčajne je to 500 až 1 200 cyklov.
  • Fyzické požiadavky – patrí sem geometria komory, jej veľkosť, hmotnosť a tvar a umiestnenie svoriek.
  • Cyklus nabíjania/vybíjania – existuje mnoho aspektov cyklu, ktoré treba zohľadniť, napr.:
    – napätie potrebné na nabíjanie,
    – čas potrebný na nabíjanie,
    – dostupnosť zdroja na nabíjanie,
    – potenciálne bezpečnostné riziká počas nabíjania/vybíjania.
  • Náklady – zahŕňajú počiatočné náklady na samotnú batériu aj náklady na jej nabíjanie a údržbu.
  • Schopnosť hlbokého vybitia – medzi hĺbkou vybitia a životnosťou batérie existuje logaritmická závislosť, takže životnosť batérie sa môže výrazne predĺžiť, ak nie je úplne vybitá; napríklad batéria mobilného telefónu vydrží päť- až šesťkrát dlhšie, ak je pred nabitím vybitá len na 80 %. Pre aplikácie, kde to môže byť potrebné, sú k dispozícii špeciálne batérie s hlbokým vybitím.
  • Aplikačné požiadavky – batéria musí byť dostačujúca na zamýšľané použitie. To znamená, že musí byť schopná produkovať správny prúd pri zodpovedajúcom napätí. Musí mať príslušnú kapacitu, energiu a výkon. Nemala by tiež príliš presahovať požiadavky aplikácie, pretože to môže znamenať zbytočné náklady, a musí poskytovať dostatočnú kapacitu za čo najnižšiu cenu.

Niklovo-metalhydridové akumulátory (Ni-MH)

Skoro 50 rokov sa prenosné zariadenia spoliehali takmer výlučne na niklovo-kadmiové batérie (Ni-Cd), ale v 90. rokoch 20. storočia sa presadila niklovo-metalhydridová batéria (Ni-MH), ktorá vyriešila otázku toxicity inak odolného Ni-Cd. Články majú podobnú štruktúru ako niklovo-kadmiové batérie a dodávajú sa vo všetkých typoch puzdier (gombíkové, valcové, hranolové a obdĺžnikové).

Výhody:

  1. o 30 – 40 % vyššia kapacita ako pri štandardnom Ni-Cd,
  2. menej náchylné na „pamäťový efekt“ ako Ni-Cd,
  3. jednoduché skladovanie a preprava, nepodlieha regulačnej kontrole,
  4. šetrný k životnému prostrediu, obsahuje len menej škodlivé toxíny,
  5. vďaka obsahu niklu je recyklácia výhodná.

Nedostatky:

  1. obmedzená životnosť, hlboké vybitie ju skracuje,
  2. vyžaduje zložitý algoritmus nabíjania,
  3. zle znáša prebíjanie, udržiavacie nabíjanie musí prebiehať na nízkej úrovni,
  4. generuje teplo počas rýchleho nabíjania a vybíjania pri vysokom zaťažení,
  5. vysoké samovybíjanie, chemické prísady znižujú samovybíjanie na úkor kapacity,
  6. kapacita klesá, ak sa akumulátor skladuje pri zvýšenej teplote, mal by sa skladovať na chladnom mieste pri 40 % úrovni nabitia.

Lítiovo-iónové akumulátory (Li-Ion)

Vynález lítiovo-kobaltovo-oxidového článku sa pripisuje Johnovi B. Goodenoughovi (1922). Rok predtým však spoločnosť Sony ohlásila medzinárodný patent na lítiovo-kobaltovo-oxidovú katódu. Nasledovali roky súdnych sporov, ale spoločnosti Sony sa podarilo patent udržať.

Kľúčom k lepšej špecifickej energii tohto typu akumulátorov je vysoké napätie článkov 3,60 V. Zdokonalenie aktívnych materiálov a elektrolytov môže ešte viac zvýšiť hustotu energie. Záťažové charakteristiky sú dobré a plochá vybíjacia krivka zabezpečuje efektívne využitie uloženej energie v požadovanom a plochom spektre napätia 3,70 – 2,80 V/článok. V roku 1994 boli náklady na výrobu lítiovo-iónového valcového článku 18650 s kapacitou 1 100 mAh viac ako 10 USD. V roku 2001 cena klesla pod 3 USD a kapacita sa zvýšila na 1 900 mAh. Zníženie nákladov, zvýšenie špecifickej energie a absencia toxických materiálov vydláždili cestu k tomu, aby sa lítiovo-iónové batérie stali široko akceptovanými batériami v prenosných aplikáciách, ťažkom priemysle, elektrických pohonných systémoch a satelitoch.

Li-ion je batéria s nízkymi nárokmi na údržbu, čo je výhoda, ktorou sa väčšina iných chemických batérií nemôže pochváliť. Batéria nemá pamäť a nevyžaduje žiadne zaťaženie (zámerné plné vybitie), aby sa udržala v dobrom stave. Samovybíjanie je o viac ako polovicu menšie ako pri systémoch na báze niklu, čo pomáha pri aplikáciách s energetickými indikátormi. Nominálne napätie článku 3,60 V môže priamo napájať mobilné telefóny, tablety a digitálne fotoaparáty, čo v porovnaní s viacčlánkovými konštrukciami prináša zjednodušenie a zníženie nákladov. Medzi nevýhody patrí potreba ochranných obvodov na zabránenie možnému samovznieteniu alebo výbuchu. Ďalšou nevýhodou je vysoká cena.

Lítiovo-iónové články sa delia podľa elektrochemických systémov, ktoré sú v nich použité:

  • (+) MLi/organický elektrolyt/C (–), kde písmeno M označuje základný kov elektródy,
  • C – kobalt,
  • N – nikel,
  • M – mangán,
  • V – vanád,
  • T – titán.

Lítiovo-iónové akumulátory majú hermetické puzdrá obsahujúce ochranné kontrolné systémy. Elektródové materiály sú nanesené na veľmi tenkých fóliách (meď a hliník) oddelených separátorom.

Výhody:

  1. vysoká energia,
  2. pomerne nízke samovybíjanie, menej ako polovica Ni-Cd a Ni-MH,
  3. nízke náklady na prevádzku, nie je potrebné pravidelné vybíjanie, chýba pamäť.

Nedostatky:

  1. vyžaduje ochranný obvod na obmedzenie napätia a prúdu,
  2. starne, aj keď sa nepoužíva (k starnutiu dochádza vo všetkých batériách a moderné Li-Ion systémy majú podobnú životnosť ako iné chemikálie),
  3. takéto články podliehajú prísnym prepravným predpisom.

Lítiovo-polymérový akumulátor (Li-Po)

Začiatkom 21. storočia sa do popredia dostala téma nabíjateľných lítiovo-iónových polymérových akumulátorov. Mnohí používatelia však majú problém rozlíšiť bežný lítiovo-iónový akumulátor od akumulátora s polymérovou architektúrou. Lítiovo-polymérový akumulátor sa od iných akumulátorových systémov líši typom použitého elektrolytu. Pôvodný polymér s konštrukciou zo 70. rokov používa pevný (suchý) polymérny elektrolyt podobný filmu, ktorý vyzerá ako plast. Tento izolátor umožňuje výmenu iónov a nahrádza tradičný porézny separátor nasýtený elektrolytom. Pevný polymér má pri izbovej teplote slabú vodivosť a batéria sa musí zahriať na 50 – 60 °C, aby ňou mohol tiecť prúd. Aby bol moderný lítiovo-polymérny článok vodivý pri izbovej teplote, musí byť gélový.

Správny termín je lítiovo-iónový polymér alebo niekedy lítiový polymér. Li-Po môže byť postavený na mnohých systémoch, ako sú Li-kobalt, NMC, Li-fosfát a Li-mangán. Z tohto dôvodu sa lítiovo-polymérový akumulátor nepovažuje za jedinečný v porovnaní s lítiovo-iónovými akumulátormi. Väčšina sekundárnych lítiovo-polymérových článkov pre spotrebiteľský trh je založená na lítiovo-kobaltových čipoch. Pokiaľ ide o používateľa, lítiový polymér je v podstate rovnaký ako lítiovo-iónový akumulátor. Oba systémy používajú identický katódový a anódový materiál a obsahujú podobné množstvo elektrolytu. Hoci vlastnosti a výkon oboch systémov sú podobné, lítiový polymér je jedinečný v tom, že je to mikroporézny elektrolyt a nahrádza tradičný porézny separátor. Gélový elektrolyt sa stáva katalyzátorom, ktorý zlepšuje elektrickú vodivosť. Li-Po má o niečo vyššiu špecifickú energiu a akumulátory, ktoré ho využívajú, môžu byť tenšie ako bežné lítiovo-iónové akumulátory. Zároveň sú výrobné náklady o 10 – 30 % vyššie.

Napriek vyššej cene podiel lítiových polymérových článkov na trhu rastie. Dodávajú sa totiž aj v pružnom fóliovom obale (polymérový laminát alebo komora na vrecúška), ktorý pripomína balenie potravín. Zatiaľ čo štandardný lítiovo-iónový akumulátor vyžaduje pevné puzdro na stlačenie elektród k sebe, Li-polymér využíva laminované hárky, ktoré stlačenie nevyžadujú. Toto fóliové puzdro znižuje hmotnosť o viac ako 20 %, navyše technológia tenkých fólií uvoľňuje dizajn formátu a batériu možno vyrobiť v ľubovoľnom tvare, takže sa elegantne zmestí do štýlových mobilných telefónov a notebookov, aby boli menšie, tenšie a ľahšie. Li-Po môže byť veľmi tenký a môže pripomínať kreditnú kartu. Charakteristiky nabíjania a vybíjania lítiovo-polymérového článku sú rovnaké ako pri iných lítiovo-iónových systémoch a nevyžadujú špeciálnu nabíjačku. Podoba je aj v otázkach bezpečnosti.

Recyklácia

Používanie lítiovo-iónových akumulátorov v spotrebnej elektronike a elektrických vozidlách v posledných rokoch rýchlo rastie. Tento zvýšený dopyt výrazne stimuloval výrobu lítiovo-iónových akumulátorov, čo následne viedlo k výraznému nárastu množstva použitých akumulátorov, z ktorých sa stáva odpad.

Je dôležité uvedomiť si, že všetky batérie neobsahujú len veľmi škodlivé látky, ktoré by sa nemali dostať do pôdy a podzemných vôd. Obsahujú aj komponenty, ktoré sa dajú opätovne použiť. Vaše batérie budú bezpečne zrecyklované, ak ich odovzdáte prevádzke na spracovanie nebezpečného odpadu alebo do obchodu, ktorý zbiera batérie na recykláciu. Ak to chcete urobiť dobre, mali by ste postupovať podľa týchto krokov:

  1. zozbierajte a roztrieďte batérie podľa typu,
  2. zalepte páskou všetky kontakty akumulátora, zabráni to ich spojeniu s cieľom generovania tepla a ohňa,
  3. takto roztriedené a zabezpečené batérie odovzdajte na určenom mieste.

Zdroj: Typy a druhy akumulátorov – akumulátor Li-Ion, akumulátor Ni-MH, akumulátor Li-Po. [online]. Publikované 12. 7. 2021. 

Text spracovala spoločnosť Transfer Multisort Elektronik Sp. z o. o.