Li-ion baterie: Porovnání nejpoužívanějších typů

Lithium-iontové baterie jsou vyráběny v různých formátech, ale i chemických složeních. Aby byla situace ještě komplikovanější, tak se i jednotlivé baterie s daným chemickým složením vyrábějí v provedeních s vysokou energetickou nebo výkonovou hustotou. Dnes se podíváme na nejpoužívanější typy lithium-iontových akumulátorů.

Z čeho se článek skládá

Lithium-iontový článek se skládá z obalu, anody, katody, separátoru a elektrolytu. Obal může být pevný, pak se bavíme o válcových a prizmatických článcích, nebo měkký. Sáčkové články jsou zapouzdřeny pouze folií, a nemají tedy pevný tvar. Anoda je elektroda, která dodává do vnějšího obvodu elektrony, katoda je přijímá. Separátor slouží k elektrickému oddělení elektrod proti elektrickému zkratu, zároveň ale umožňuje pohyb lithiových iontů z elektrody na elektrodu.

Anoda

Anoda se skládá z vrstvené struktury. První vrstva je materiál proudového sběrače, v tomto případě nejčastěji měděná folie, na které je nanesena aktivní hmota. Úkol aktivní hmoty je pojímat lithiové ionty při nabíjení a vydávat je při vybíjení. Na jednotlivé aktivní materiály se zaměříme podrobněji.

Uhlík

Pro experimentální a vývojové účely se používal nejprve uhlík ve formě sazí. Tento materiál se v začátcích dostal i do komerčních článků. Jeho použití mělo za následek relativně velký pokles napětí v zátěži, a tak byly hledány jiné lepší materiály.

Grafit

Grafit přinesl zvýšení měrné kapacity, snížení vnitřního odporu a stále tvoří majoritní podíl aktivních anodových hmot v dnešních akumulátorech. Dnes se do něho přidává křemík, který má 5krát vyšší měrnou kapacitu než grafit.

Křemík

Čistý křemík je považován za nástupce grafitu. Nabízí 5krát vyšší měrnou kapacitu, nevýhoda je však v jeho silné objemové roztažnosti v nabitém oproti nenabitém stavu. Tento rozdíl je až devítinásobek objemu. Baterie musí být konstruována tak, aby odolala tomuto periodickému namáhání. Automobilka Tesla se snaží tento materiál použít v anodách nové generace baterií pro své vozy. Pokud se podaří zajistit dobrou bezpečnost a odolnost těchto baterií, tak lze očekávat masivní rozšíření na trhu.

LTO - Lithium titan oxid

Jedná se o relativně zajímavou variantu Li-ion baterií. Nominální napětí je pouze 2,3 V, maximální nabíjecí 2,85 V a minimální vybíjecí 1,8 V na článek. Jejich životnost je odhadována na 20 tisíc cyklů a 25 let. Velkou výhodou je možnost je nabíjet za nízkých teplot (až -30 st. Celsia).

Měrný výkon je velmi vysoký, tyto baterie lze nabít z vybitého stavu za několik minut bez výrazných vedlejších účinků.  Nevýhodou je nízká měrná energetická hustota (50-80 Wh/kg) a vysoká cena. Katoda těchto baterií je zpravidla LMO nebo NMC. Bezpečnost dosahuje nejvyšší úrovně ze všech zmíněných typů. Použití nachází tam, kde je nutné časté cyklování baterie (solární pouliční osvětlení), nebo vysoký měrný výkon (UPS, EV).

Katoda

Katoda také představuje vrstvenou strukturu. První vrstva je materiál proudového sběrače, v tomto případě nejčastěji hliníková folie. Další vrstva je opět tvořena aktivní hmotou, ze které jsou při nabíjení vytrhávány ionty, které putují k anodě. Při vybíjení jsou ionty pojímány. Aktivních hmot je celá řada, na hlavní zástupce se podíváme podrobněji. Pokud není uvedeno jinak, tak nominální napětí je v rozsahu 3,6 -3,8 V, maximální nabíjecí napětí 4,2 V (kromě Li-ion HV a podobně) a minimální vybíjecí napětí 2,5 V na článek.

LCO - Lithium kobalt

Vývojově jeden z nejstarších katodových aktivních materiálů. Dosahuje dobrých měrných kapacit. Jmenovité napětí článků s touto katodou je 3,6 V. Články mají relativně krátkou životnost 300-500 cyklů, nízký měrný výkon a sníženou bezpečnost kvůli tepelnému rozkladu katody již při teplotách okolo 150 stupňů Celsia. Dnes se již moc nepoužívá kvůli vysoké ceně kobaltu a také kvůli tomu, že byl nahrazen dokonalejšími materiály. Použití našel hlavně ve výpočetní technice.

LMO - Lithium mangan

Tento materiál poskytnul vyšší měrné výkony baterií, o trochu nižší měrnou energetickou hustotu a krátkou životnost okolo 300-700 cyklů. Nominální napětí je 3,7 V. Tepelný rozklad nastává až při teplotách okolo 250 stupňů Celsia. Bezpečnost tohoto typu je na vyšší úrovni než u LCO. Díky vyššímu měrnému výkonu se uplatnil v akumulátorovém nářadí a medicínské technice.

NMC - Lithium nikl mangan kobalt

Jedná se o jeden z nejúspěšnějších typů Li-Ion. Nabízí dobrou stabilitu, měrný výkon i energetickou hustotu a relativně dlouhou životnost, která je 1000-2000 cyklů. Poměr jednotlivých složek lze ladit tak, aby baterie dosahovala požadovaných vlastností. Dnes je snaha snižovat množství kobaltu v těchto typech akumulátorů. Použití nachází v elektrokolech, trakčních systémech, akumulátorovém nářadí a medicínské technice.

LFP - Lithium železo fosfát

Nabízí nižší měrnou hustotu energie (100-160 Wh/kg) a velmi vysoký měrný výkon. Nominální napětí je nižší a činí 3,2 V a nabíjí se na napětí 3,6 V. Díky tomu se hodí jako náhrada za olověné baterie. Dnes je populární volbou pro uložiště energie, UPS a trakční použití obecně. Automobilka Tesla tento materiál používá ve svých elektromobilech, které vyrábí v Číně.

Stabilita tohoto systému je excelentní. Tepelný rozklad nastává při teplotách 270 stupňů Celsia. Baterie při přebíjení,  nadměrném vybíjení, zkratu, propíchnutí cizím objektem a podobně nezačne hořet plamenem jako u jiných typů. Díky nulovému obsahu vzácných prvků a kobaltu je tato baterie levná a jejích zastoupení na trhu neustále roste. Životnost se počítá na tisíce (2000-5000) cyklů a kalendářní stárnutí je za normálních teplot pomalé.

NCA - Lithium nikl kobalt aluminium

Na trhu jsou tyto baterie dostupné od roku 1999 původně pro speciální použití. Nabízí vyšší měrnou energetickou hustotu (260 Wh/kg) než NMC, ale také bohužel nižší bezpečnost. Tepelný rozklad nastává při teplotách okolo 150 st. Celsia. Měrný výkon dosahuje dobrých hodnot (1C trvale) a životnost se pohybuje okolo 500-1000 cyklů. Tesla tento materiál používá ve svých bateriích v elektromobilech ve spolupráci s firmou Panasonic. Stejně jako u ostatních materiálů obsahujících kobalt je i zde tlak na snížení jeho obsahu. Pro zajištění optimální bezpečnosti provozu je nutné velmi pečlivě monitorovat napětí a teplotu jednotlivých článků baterie.

Separátor

Obvykle je vyroben z pórovitého polypropylenu nebo polyetylenu o velmi malé tloušťce 5-25 um. Vyrábí se také jako sendvičová struktura PP-PE-PP kvůli omezení konduktivity baterie při nebezpečně vysokých teplotách. Musí odolat korozivní povaze elektrolytu, růstu dendritů a objemovým změnám aktivních hmot elektrod.

Elektrolyty

Elektrolyt je látka složená z organických rozpouštědel, ve kterých jsou rozpuštěny lithné soli, například LiPF6. Umožňuje přenos iontů mezi elektrodami. Samozřejmostí jsou aditiva, která prodlužují životnost a zvyšují stabilitu. To umožňuje například zvyšování maximálního nabíjecího napětí.

Závěr

V tomto stručném seznámení byly probrány nejdůležitější vlastnosti a použití jednotlivých druhů Li-ion baterií. Různé kombinace anodových a katodových materiálů mají  za následek různé vlastnosti. Pouze pro specifickou aplikaci se hodí specifický typ Li-ion baterie.

Samozřejmě na poli Li-ion baterií se odehrávají více či méně zásadní zlepšení a objevy každý den. Jejich cena dlouhodobě klesá a rozšiřuje se oblast jejich použití, s tím se zintenzivňuje jejich vývoj.

V budoucnosti se možná dočkáme i  lithiových baterií bez kapalného/gelového elektrolytu, baterií na bázi lithium-síra, nebo lithium vzduch. Takové systémy budou dosahovat vyšších měrných kapacit a časem mohou nahradit Li-ion, tak jak je známe. V historii byly nahrazeny NiCd baterie NiMH a následně NiMH byly nahrazeny Li-ion. NiMH lze dnes najít pouze v solárních svítidlech na zahradu, elektrických zubních kartáčcích a dalších nenáročných aplikacích.