Litija baterijas ir bijušas mūsu dzīves neatņemama sastāvdaļa jau gadu desmitiem un ir nepieciešamas dažādām elektroniskām ierīcēm. Bet kāpēc litija baterijas ir kļuvušas tik populāras, un vai pastāv labākas alternatīvas? Kas kādu dienu vispār varētu aizstāt litija bāzes baterijas?
Kas ir litija baterijas?
Mūsdienās visizplatītākais akumulatoru veids ir litija akumulatori (litija jonu akumulatori). Pirmo reizi ideju par litija bāzes baterijām 1976. gadā ierosināja britu ķīmiķis Maikls Stenlijs Vitingems. Litija baterijas pirmo reizi kļuva komerciāli pieejamas plašā mērogā dažus gadus vēlāk, 1991. gadā, kad tos sāka masveida ražošanā.
Litija akumulators var būt dažādos veidos, un visievērojamākie varianti, tostarp litijs dzelzs fosfāts, litija kobalta oksīds, litija mangāna oksīds un litija niķeļa mangāna kobalts oksīds. Šīs baterijas satur mazas jaudas šūnas, no kurām katra sastāv no pozitīvā elektroda (katoda), negatīvā elektroda (anoda) un elektrolīta.
Šūnā litija joni pārvietojas starp pozitīvo un negatīvo elektrodu, un elektrolīts darbojas kā kustības vektors. Litija joniem (Li+) ir pozitīvs lādiņš, un tāpēc tie tiek piesaistīti negatīvajam elektrodam. Abi elektrodi sastāv arī no galvenajām sastāvdaļām. Tipiska litija kobalta oksīda akumulatora gadījumā katods ir izgatavots no litija kobalta oksīda, savukārt anods parasti ir izgatavots no oglekļa bāzes savienojuma, kas pazīstams kā grafīts.
Katods atdos dažus no saviem pozitīvajiem litija joniem, kas pēc tam caur elektrolītu virzās uz anodu, atbrīvojot enerģiju, ko akumulators izmantos savai jaudai. Tagad miljardiem cilvēku visā pasaulē paļaujas uz šo ātro un vienkāršo procesu, lai darbinātu savas ierīces.
Daudzu zīmolu litija jonu akumulatori ir vienreiz lietojami. Lai gan tie var darbināt ierīci nedēļām, mēnešiem vai pat gadiem, tā ir jāiznīcina un jānomaina, tiklīdz akumulators ir izlādējies. tomēr uzlādējamas litija bāzes baterijas tagad ir ļoti populāri, jo tie var ietaupīt lietotāju naudu un radīt mazāk atkritumu.
Bet kāpēc tieši litija baterijas ir labākā izvēle? Kas padara tos par tik pievilcīgu iespēju ražotājiem un patērētājiem?
Kāpēc mēs izmantojam litija bāzes baterijas?
Mēs galvenokārt izmantojam litija baterijas, jo tām ir ilgs kalpošanas laiks salīdzinājumā ar citiem akumulatoru veidiem. Ražotāji vēlas ražot un pārdot akumulatorus, kas nodrošina jaudu dažas dienas, vienlaikus saglabājot vieglumu un kompaktumu. Turklāt saskaņā ar Tīras enerģijas institūtsLitija jonu akumulatoriem ir ļoti zema pašizlāde, kas ir aptuveni 1–2% mēnesī, kas nozīmē, ka tie zaudē mazāku procentuālo daļu no kopējās jaudas katru reizi, kad tās tiek izmantotas.
Litija jonu akumulatori var ražot enerģiju, izmantojot vienkāršu ķīmisku procesu, padarot tos par ļoti pievilcīgu iespēju ražotājiem. Turklāt litija jonu akumulatoru enerģijas blīvums padara tos par vispiemērotāko variantu. Standarta litija jonu akumulatora jauda ir 260–270 wh/kg (vatstundas uz kilogramu), savukārt svina skābes akumulatori var sasniegt tikai 50–100 wh/kg (saskaņā ar Spāres enerģija). Litija jonu akumulatoru enerģijas blīvums ir arī galvenais iemesls, kāpēc tie ir parasti izmanto elektriskajos transportlīdzekļos.
Šo faktoru dēļ litija baterijas ir populāras plašas sabiedrības vidū, un to iegāde nav dārga. Lai gan noteiktu zīmolu vai modeļu akumulatoru cena var būt augstāka, standarta litija baterijas parasti ir diezgan pieejamas un pieejamas miljoniem veikalu visā pasaulē.
Bet litija jonu akumulatori nekādā ziņā nav ideāli. Patiesībā ar šo neticami populāro barošanas avotu ir saistītas dažas acīmredzamas problēmas.
Problēma ar litija bāzes baterijām
Viena no lielākajām problēmām, kas saistītas ar litija jonu akumulatoriem, ir to radītais atkritumu daudzums. Daudzi cilvēki izvēlas izmest akumulatorus kopā ar parastajiem atkritumiem, kad tiem beidzas jauda, kas kaitē videi.
Kad litija jonu akumulatori tiek izmesti kopā ar citiem vispārējiem nepārstrādājamiem atkritumiem, tie nonāk poligonā. Kad tie nolaižas šeit, to sastāvdaļas var izskaloties un nopietni sabojāt apkārtējo vidi. Litijs, niķelis, kobalts un mangāns var radīt nopietnus piesārņojuma riskus, un tie visi ir dažādu veidu akumulatoros, kuru pamatā ir litijs.
Turklāt litija ekstrakcija šim akumulatora tipam arī kaitē mūsu planētai. Litiju var iegūt, iegūstot sāli vai iztvaicējot, un abiem procesiem ir nepatīkama ietekme uz vidi. Piesārņojums, paaugstināts ūdens sāļums, CO2 emisijas un bioloģiskās daudzveidības samazināšanās ir satraucošas litija ekstrakcijas blakusparādības.
Ņemot vērā, ka litija bateriju tirgus laikā no 2020. līdz 2026. gadam ir paredzēts pieaugt par 14,6 procentiem (kā ziņo Statistika), visticamāk, litija ieguves process turpinās radīt draudus videi. Šis ir arī a pieaugošās bažas EV ražošanas nozarē.
Tātad, kādas ir alternatīvas?
4 labākās litija akumulatoru alternatīvas
1. Sālsūdens akumulatori
Sālsūdens okeāni klāj divas trešdaļas no mūsu planētas. Tātad, kā šo resursu var izmantot elektroenerģijas ražošanai?
Sālsūdens akumulatori enerģijas ražošanai izmanto koncentrētu sāls šķīdumu. Sālsūdens akumulatori satur arī anodu un katodu, un sāls šķīdums darbojas kā elektrolīts (vai vektors) pozitīvajiem nātrija joniem (Na+ joniem). Nātrija joni pārvietojas no katoda uz anodu, radot enerģiju.
Faktiskais jūras ūdens netiek izmantots sālsūdens akumulatoros, taču no okeāna var novākt lielu daudzumu sāls un izmantot šīm baterijām. Sālsūdens izmantošana akumulatoru ražošanā varētu būt videi mazāk kaitīga nekā litija, kobalta, niķeļa un citu baterijās izmantoto metālu ekstrakcijas procesi.
2. Stikla baterijas
Stikla baterijas var izklausīties nedaudz neparastas, taču tām ir liels potenciāls. Stikla baterija ir salīdzinoši jauna ideja, ko pirmo reizi konceptualizēja fiziķis Džons Gudenafs 2017. gadā. Šis akumulators, kas pazīstams kā "Goodenough akumulators", izmanto stiklu kā elektrolītu. Lai gan akumulatora elektrolīti parasti ir šķidrā veidā, stikla akumulators ir pilnībā ciets.
Cietā elektrolīta izmantošana ir ievērojami drošāka nekā šķidro elektrolītu izmantošana, samazinot ugunsgrēku iespējamību un novēršot izskalošanās risku poligonos. Turklāt stikla akumulators varētu darboties ilgāk nekā litija jonu akumulatori, padarot tos par ilgtspējīgāku alternatīvu kopumā. Nātrijs tiek izmantots arī stikla akumulatorā, kas, kā minēts, apspriežot sālsūdens akumulatorus, ir ilgtspējīgāks resurss nekā tradicionālie akumulatoru metāli.
3. Nātrija-sēra baterijas
Nātrija-sēra (NaS) baterijas ir šķidrā stāvokļa akumulatoru veids, kurā tiek izmantoti izkausēti anodi un katodi. Šajā gadījumā anods un katods ir šķidrā veidā, no kuriem pirmais ir izkausēts nātrijs, bet otrais ir izkausēts sērs. Šīs baterijas pastāv kopš 1960. gadiem, pirms tika izgudrots litija jonu akumulators. Bet kāds potenciāls ir NaS akumulatoram mūsu pasaulē?
Nātrija sēra akumulatoru galvenā priekšrocība ir to augstāks enerģijas blīvums nekā litija jonu akumulatoriem. Patiesībā, pētnieki no Sidnejas universitātes gadā izveidoja nātrija-sēra akumulatoru ar četras reizes lielāku enerģijas ietilpību nekā litija jonu akumulatoriem. Turklāt nātrija-sēra akumulatori ir mazāk toksiski nekā litija jonu akumulatori, kas ir labas ziņas videi.
4. Kaņepju baterijas
Jūs nevarētu domāt, ka kaņepēm ir potenciāls aizstāt litija jonu baterijas, taču šis augs ir vēlreiz pierādījis savu daudzpusību. Tomēr šīm baterijām ir brīdinājums: to darbībai joprojām tiek izmantoti smagie metāli, piemēram, litijs.
Eko pulkstenis ziņo, ka viens no kaņepēm darbināmas baterijas piemēriem, ko pētnieki izstrādāja 2022. gadā, savā enerģijas ražošanas procesā izmanto litiju un sēru. Atšķirība šeit ir tāda, ka netiek izmantoti citi smagie metāli, piemēram, niķelis vai kobalts, un pašam akumulatoram ir uzlabota veiktspēja salīdzinājumā ar tradicionālajiem litija jonu variantiem. Tas ir tāpēc, ka kaņepes palīdz katodam pagarināt tā kalpošanas laiku, veicot atkārtotus ciklus.
Kaņepju akumulatori ir arī rentablāki, un to izmantošana tiek apsvērta elektriskajos transportlīdzekļos. Lai uzzinātu par dažādiem EV akumulatoru veidiem, skatiet mūsu veltīts gabals par šo tēmu.
Akumulatoru rūpniecība nākotnē varētu kļūt daudz zaļāka
Tā kā tik daudzsološas alternatīvas litija jonu akumulatoriem jau tiek izstrādātas, ir aizraujoši domāt par akumulatoru nozares nākotni. Ja šādas alternatīvas tiek veiksmīgi komercializētas, mēs varam novērst neskaitāmas vides problēmas un katastrofas. Kopumā tas ir izdevīgs litija jonu nomaiņai!
