Lithiové baterie jsou nedílnou součástí našich životů po celá desetiletí a jsou vyžadovány pro různá elektronická zařízení. Proč se ale baterie na bázi lithia staly tak populární a existují lepší alternativy? Co by jednoho dne mohlo zcela nahradit baterie na bázi lithia?
Co jsou lithiové baterie?
Baterie na bázi lithia (lithium-iontové baterie) jsou dnes nejběžnějším typem baterií. Myšlenku baterií na bázi lithia poprvé navrhl v roce 1976 Michael Stanley Whittingham, britský chemik. Lithiové baterie byly poprvé komerčně dostupné v širokém měřítku o několik let později, v roce 1991, kdy šly do sériové výroby.
Baterie na bázi lithia může mít mnoho podob, přičemž nejpozoruhodnější varianty zahrnují lithium fosforečnan železitý, oxid lithný, kobaltnatý, oxid lithný a manganový a lithium nikl mangan kobalt kysličník. Tyto baterie obsahují malé napájecí články, z nichž každý se skládá z kladné elektrody (katody), záporné elektrody (anody) a elektrolytu.
Uvnitř článku se ionty lithia pohybují mezi kladnými a zápornými elektrodami, přičemž elektrolyt působí jako vektor pohybu. Lithné ionty (Li+) mají kladný náboj, a proto jsou přitahovány k záporné elektrodě. Dvě elektrody se také skládají z klíčových součástí. V případě typické lithiové baterie s oxidem kobaltu je katoda vyrobena z oxidu lithného a kobaltu, zatímco anoda je obvykle vyrobena ze sloučeniny na bázi uhlíku známé jako grafit.
Katoda vydá část svých kladných iontů lithia, které pak putují k anodě elektrolytem a uvolňují energii, kterou baterie využije pro svůj výkon. Na tento rychlý a jednoduchý proces se nyní spoléhají miliardy lidí po celém světě, aby napájeli svá zařízení.
Mnoho značek lithium-iontových baterií je jednorázových. I když mohou zařízení napájet týdny, měsíce nebo dokonce roky, musí být po vybití baterie zlikvidováno a vyměněno. Nicméně, dobíjecí lithiové baterie jsou nyní velmi populární, protože mohou uživatelům ušetřit peníze a produkovat méně odpadu.
Ale proč přesně jsou baterie na bázi lithia tou nejlepší volbou? Co z nich dělá tak atraktivní možnost pro výrobce a spotřebitele?
Proč používáme lithiové baterie?
Používáme hlavně baterie na bázi lithia kvůli jejich dlouhé životnosti ve srovnání s jinými typy baterií. Výrobci chtějí vyrábět a prodávat baterie, které dodávají energii několik dní a přitom zůstávají lehké a kompaktní. Dále podle Institut čisté energieLithium-iontové baterie mají velmi nízké samovybíjení, přibližně 1–2 % za měsíc, což znamená, že při každém použití ztrácejí menší procento své celkové energetické kapacity.
Lithium-iontové baterie mohou vyrábět energii jednoduchým chemickým procesem, což z nich dělá velmi atraktivní volbu pro výrobce. Kromě toho je energetická hustota lithium-iontových baterií nejvýhodnější možností. Standardní lithium-iontová baterie má kapacitu 260-270 Wh/kg (watthodiny na kilogram), zatímco olověné baterie mohou dosáhnout pouze kapacity 50-100 Wh/kg (dle Energie vážky). Energetická hustota lithium-iontových baterií je také klíčovým důvodem, proč tomu tak je běžně používané v elektrických vozidlech.
Kvůli těmto faktorům jsou baterie na bázi lithia oblíbené mezi širokou veřejností a jejich nákup není drahý. Zatímco některé značky nebo modely baterií mohou mít vyšší cenu, standardní baterie na bázi lithia jsou obecně docela dostupné a dostupné v milionech obchodů po celém světě.
Ale lithium-iontové baterie nejsou v žádném případě dokonalé. Ve skutečnosti existují některé do očí bijící problémy spojené s tímto neuvěřitelně populárním zdrojem energie.
Problém s lithiovými bateriemi
Jedním z největších problémů spojených s lithium-iontovými bateriemi je obrovské množství odpadu, které vytvářejí. Mnoho lidí se rozhodne likvidovat baterie běžným odpadem, jakmile jim dojde energie, což poškozuje životní prostředí.
Když jsou lithium-iontové baterie likvidovány spolu s jiným obecným, nerecyklovatelným odpadem, skončí na skládce. Jakmile sem přistanou, jejich složky se mohou vyluhovat a vážně poškodit okolní prostředí. Lithium, nikl, kobalt a mangan mohou všechny představovat vážné riziko kontaminace a všechny jsou přítomny v různých typech baterií na bázi lithia.
A co víc, těžba lithia pro tento typ baterie také poškozuje naši planetu. Lithium lze extrahovat těžbou soli nebo odpařováním, přičemž oba procesy mají nepříjemný dopad na životní prostředí. Kontaminace, zvýšená slanost vody, emise CO2 a ztráta biologické rozmanitosti jsou znepokojující vedlejší účinky těžby lithia.
Vzhledem k tomu, že se očekává, že trh s lithiovými bateriemi vzroste v letech 2020 až 2026 o 14,6 procenta (jak uvádí Statista), je pravděpodobné, že proces těžby lithia bude i nadále představovat hrozbu pro životní prostředí. Toto je také a rostoucí obavy v odvětví výroby elektromobilů.
Jaké jsou tedy alternativy?
4 nejlepší alternativy lithiových baterií
1. Slanovodní baterie
Mořské oceány pokrývají dvě třetiny naší planety. Jak tedy lze tento zdroj využít k výrobě energie?
Slané baterie používají k výrobě energie koncentrovaný solný roztok. Slané baterie obsahují také anodu a katodu, přičemž solný roztok působí jako elektrolyt (neboli vektor) pro kladné sodíkové ionty (ionty Na+). Sodíkové ionty putují od katody k anodě a produkují energii.
Skutečná mořská voda se v bateriích se slanou vodou nepoužívá, ale velké množství soli lze získat z oceánu a použít pro tyto baterie. Použití slané vody k výrobě baterií by mohlo být mnohem méně škodlivé pro životní prostředí než procesy extrakce používané pro lithium, kobalt, nikl a další kovy používané v bateriích.
2. Skleněné baterie
Skleněné baterie mohou znít trochu nezvykle, ale mají velký potenciál. Skleněná baterie je relativně nová myšlenka, poprvé ji konceptualizoval fyzik John Goodenough v roce 2017. Tato baterie, známá jako „baterie Goodenough“, používá sklo jako elektrolyt. Zatímco elektrolyty baterií obvykle přicházejí v kapalné formě, skleněná baterie je zcela pevná.
Použití pevného elektrolytu je podstatně bezpečnější než tekuté elektrolyty, což snižuje riziko požáru a odstraňuje riziko vyluhování na skládkách. A co víc, skleněná baterie by mohla vydržet déle než lithium-iontové baterie, což z nich dělá celkově udržitelnější alternativu. Sodík se také používá ve skleněné baterii, která, jak bylo zmíněno při diskuzi o bateriích se slanou vodou, je udržitelnějším zdrojem než tradiční kovy baterií.
3. Sodno-sirné baterie
Sodium-sulfur (NaS) baterie jsou formou baterií v kapalném stavu, které využívají roztavené anody a katody. V tomto případě anoda a katoda přicházejí v kapalné formě, přičemž první je roztavený sodík a druhá je roztavená síra. Tyto baterie existují od 60. let minulého století, než byla vynalezena lithium-iontová baterie. Ale jaký potenciál má NaS baterie v našem světě?
Hlavní výhodou sodno-sírových baterií je jejich vyšší hustota energie než u lithium-iontových baterií. Ve skutečnosti, výzkumníci na univerzitě v Sydney vytvořil v roce 2022 sodíkovo-sírovou baterii se čtyřnásobnou energetickou kapacitou než lithium-iontové baterie. Sodno-sírové baterie jsou navíc méně toxické než lithium-iontové baterie, což je dobrá zpráva pro životní prostředí.
4. Konopné baterie
Nevěřili byste, že konopí má potenciál nahradit lithium-iontové baterie, ale tato rostlina znovu prokázala svou všestrannost. Tyto baterie však přicházejí s upozorněním: stále používají těžké kovy, jako je lithium.
Eco hodinky uvádí, že jeden příklad baterie napájené konopím, kterou vyvinuli vědci v roce 2022, používá při procesu výroby energie lithium a síru. Rozdíl je v tom, že se nepoužívají jiné těžké kovy, jako je nikl nebo kobalt, a samotná baterie má lepší výkon než tradiční lithium-iontové varianty. Je to proto, že konopí pomáhá katodě prodloužit její životnost opakovanými cykly.
Baterie na bázi konopí jsou také cenově výhodnější a uvažuje se o jejich použití v elektrických vozidlech. Chcete-li se dozvědět o různých typech baterií EV, podívejte se na naše věnovaný článek na dané téma.
Bateriový průmysl by se v budoucnu mohl stát mnohem ekologičtějším
S tak slibnými alternativami k lithium-iontovým bateriím, které se již připravují, je vzrušující přemýšlet o budoucnosti průmyslu baterií. Pokud budou takové alternativy úspěšně komercializovány, můžeme předejít nespočtu ekologických problémů a katastrof. Celkově vzato je to pro lithium-iontové náhrady výhoda!
