Lithiové baterie, často označované jako lithio-iontové, fungují tak, že ukládají a uvolňují energii prostřednictvím drobných částic zvaných lithiové ionty. Když baterie napájí nějaké zařízení, tyto ionty v podstatě putují z jednoho konce baterie (anody) na druhý konec (katodu). Tento celý proces pohybu iontů je to, co je činí oproti starším bateriovým technologiím tak výjimečnými. Můžou totiž do menšího prostoru umístit mnohem větší výkon, a to bez výrazného zvýšení hmotnosti. Proto se mobily a notebooky stále ztenčují, ale přitom vydrží delší dobu mezi nabitím. Hustota energie je u těchto baterií natolik vysoká, že převyšuje většinu současných alternativ na trhu.
Lithiové baterie jsou dnes téměř všude ve našem technologiemi ovlivněném životě. Tyto zdroje energie pohání vše od našich denních zařízení, jako jsou telefony a notebooky, až po větší věci, jako jsou elektromobily a systémy pro ukládání energie ze solárních panelů. Co je činí tak populárními? Jsou lehké a přitom mají slušnou výdrž nabití po delší dobu. Díky této kombinaci na ně nyní těžce spoléháme nejen pro naše kapesní hračky, ale také pro rozvoj ekologičtějších energetických alternativ, do kterých nyní mnoho společností velmi investuje.
Lithiové baterie fungují tak, že vytvářejí elektřinu pomocí chemických reakcí uvnitř baterie, přičemž základní princip spočívá v pohybu malých lithiových částic, které generují elektrický proud. Při používání těchto baterií se lithiové částice začnou pohybovat z jedné strany (nazývané anoda) na druhou stranu (katoda), přičemž cestují skrze látku zvanou elektrolyt. Při tomto pohybu částic tam a zpět se vyrábí elektřina, která napájí všechno od chytrých telefonů po elektrická auta. Díky své efektivitě při ukládání a uvolňování energie se lithiové baterie staly velmi důležitými pro zařízení jako jsou solární panely a větrné turbíny, kde je klíčová stálá dodávka energie.
Při nabíjení lithiových baterií se ve skutečnosti lithiové ionty pohybují zpět na stranu anody baterie. K tomu potřebujeme dodat trochu elektrické energie z vnějšího zdroje. Napětí musí být vyšší než to, které je uvnitř baterie samotné, něco jako když tlačíme proti vodnímu tlaku. Tohle vyžene ty malé ionty zpět na stranu anody. Funguje to téměř opačně než při používání baterie, kdy se ionty volně pohybují směrem ke katodě. Tyto neustálé pohyby mezi anodou a katodou jsou velmi důležité pro schopnost baterie uchovávat energii a později ji opět uvolňovat. Bez tohoto přenášení by naše mobily nevydržely mezi nabitími tak dlouho. A pokud mluvíme o reálném světě, celý tento proces činí lithiové baterie velmi vhodnými pro věci jako jsou elektromobily nebo ukládání obnovitelné energie do rozsáhlých sítí, což nám pomáhá přecházet na čistší zdroje energie.
Lithiové baterie jsou k dispozici v poměrně široké škále typů, z nichž každá je vhodná pro různé aplikace v závislosti na chemickém složení a způsobu funkce. Jako příklad můžeme uvést lithno-železo-fosfátové baterie (LFP). Tyto baterie se staly oblíbenou volbou pro mnoho projektů v oblasti ukládání energie díky své odolnosti vůči vysokým teplotám a schopnosti vydržet tisíce nabíjecích cyklů. Proto si je oblíbily firmy v oblasti obnovitelných zdrojů energie, které hledají náhradu za starší olověné baterie vyžadující častou údržbu. Reálné instalace ukazují, že tyto LFP baterie snadno vydrží více než 2000 plných nabíjecích cyklů a zároveň odolávají náročným podmínkám použití. Na rozdíl od některých jiných lithiových chemií nevadí jim úplné vybíjení, což je činí obzvláště vhodnými pro fotovoltaické systémy a záložní zdroje energie, kde je potřeba maximální flexibility.
LMO baterie se široce používají v elektrických autech, protože nabízejí dobrý výkon za různých podmínek. Jednou z hlavních výhod je jejich stabilita i při kolísání teplot, navíc jsou obecně bezpečnější než mnoho alternativ. Speciální katodový materiál uvnitř umožňuje rychlé nabíjení a zároveň vyrovnat se s vyššími proudy. Mimo elektrická vozidla se tyto baterie osvědčily i v ručních nářadích, kde záleží na rychlých výbuchcích energie, a dokonce i v některých lékařských zařízeních, která vyžadují spolehlivé zdroje energie. Na druhou stranu však většina LMO baterií nevydrží tak dlouho jako některé konkurenční typy. Reálné testování ukazuje, že obvykle vydrží zhruba 300 až 700 nabíjecích cyklů, než je třeba je vyměnit. Pro výrobce to znamená, že musí neustále hledat rovnováhu mezi vynikajícími výkonovými vlastnostmi a náklady na výměnu v pozdějších letech.
LCO baterie se běžně používají ve spotřební elektronice, protože do malého prostoru zatímají velký výkon. Chytré telefony, tablety a dokonce i notebooky využívají právě tuto technologii díky jejímu výbornému výkonu v oblasti ukládání energie. To, co je činí tak efektivními, je jejich schopnost provozovat zařízení po dlouhou dobu, aniž by zabíraly velký prostor. Ale existuje i nevýhoda, která stojí za zmínku. Bezpečnost je v tomto případě větší problém, protože tyto baterie špatně snášejí vysoké teploty a v průběhu času se rychleji opotřebovávají. Přesto výrobci zatím stále používají LCO baterie jednoduše proto, že žádná jiná technologie nedosahuje stejné hustoty energie potřebné pro napájení dnešních tenkých a elegantních elektronických zařízení.
Když se podíváme na lithiové baterie ve srovnání s klasickými olověně-kyselinovými modely, rozdíly jsou zřejmé v několika klíčových oblastech, včetně hmotnosti, počtu nabíjecích cyklů a celkové kapacity ukládání energie. Lithiové baterie jsou mnohem lehčí, což je činí vhodnějšími pro přenosné zařízení nebo použití v automobilech, na rozdíl od těžkých olověných baterií, které jsou jako přenášení cihel. Nižší hmotnost znamená lepší efektivitu při přemisťování věcí po celý den. Další velkou výhodou lithiových baterií je jejich životnost před náhradou. Většina lithiových baterií vydrží přibližně 2000 plných nabíjecích cyklů, zatímco olověné baterie obvykle selžou po 500 až 1000 nabití. A neměli bychom zapomínat ani na energetickou hustotu. Lithium uchovává přibližně dvojnásobnou energii na jednotku objemu ve srovnání s olověně-kyselinovou technologií. To vysvětluje, proč naše mobily a notebooky mohou pracovat déle mezi nabitím, aniž by se zvětšovaly nebo ztěžovaly. Právě všechny tyto důvody dohromady vysvětlují, proč se lithium stalo preferovanou volbou pro trvanlivost a maximální využití každého nabití.
Při porovnávání nikl-metalhydridových (NiMH) baterií a lithiových je zřejmé, že se liší svým výkonem, účinností a provozními náklady. Lithiové baterie prostě fungují lépe, protože ukládají větší množství energie do menšího prostoru a nabíjejí se výrazně rychleji. To znamená kratší čekací doby na nabíjení a celkově lepší výkon, což je velmi důležité například u elektrických automobilů, kde každá minuta počítá. V oblasti údržby mají také lithiové baterie výhodu. Nemají nepříjemný efekt paměti, který postihuje NiMH baterie a způsobuje ztrátu kapacity po opakovaném částečném nabíjení. Kromě toho lithiové baterie vydrží déle, než je třeba je vyměnit. I když jejich pořizovací cena může být vyšší, většina podniků zjistí, že jsou dlouhodobě levnější, pokud se vezmou v úvahu celkové náklady na vlastnictví. Pro průmysl, který potřebuje spolehlivý zdroj energie bez vysokých nákladů na výměnu, se tak lithiové baterie staly preferovanou volbou, i přes vyšší počáteční investici.
Recyklace lithiových baterií hraje velkou roli při snižování jejich environmentální náročnosti. Většina recyklačních procesů směřuje k získávání cenných materiálů, jako jsou lithium, kobalt a nikl, z vyřazených baterií, místo toho, aby všechno skončilo jako odpad. Celý proces začíná sběrem vyčerpaných baterií z elektromobilů a spotřební elektroniky, které se následně rozebírají na jednotlivé části. Po oddělení se tyto cenné kovy očistí a následně se vrací zpět do výrobních linek pro výrobu nových bateriových balíčků, čímž se podporuje vytváření tzv. kruhového hospodářství. Kromě úspory surovin zabrání správná recyklace tomu, aby nebezpečné chemikálie skončily na skládkách, kde by mohly postupně pronikat do spodních vod nebo ohrožovat místní ekosystémy.
Udržitelnost těžby lithia má velký význam pro snižování škod na životním prostředí. Proces těžby lithia, kterým jsou zásobovány baterie využívané v mnoha moderních zařízeních, často vede k vážným ekologickým problémům. Mluvíme o zničených stanovištích a vyčerpaných zdrojích vody v oblastech, kde probíhá těžba. Naštěstí existuje několik pozitivních zpráv z tohoto oboru. Firmy začínají experimentovat s čistšími způsoby získávání lithia. Některé se zaměřují na techniky těžby z minerální vody, zatímco jiné pracují na vylepšení tradičních těžebních postupů. Tyto nové metody se snaží omezit poškozování přírody a zároveň efektivněji využívat dostupné zdroje. Výzvou zůstává nalezení způsobů, jak uspokojit rostoucí poptávku po lithiu, aniž by bylo ohrožováno životní prostředí. A jak se bateriové technologie dále vyvíjejí, budou klíčové průběžné inovace v oblasti těžby i recyklačních programů, pokud chceme nadále využívat lithiové baterie způsobem, který je udržitelný.
Bezpečnost zůstává hlavní obavou při práci s lithiovými bateriemi v zařízeních využívajících obnovitelné zdroje energie. Zamezení přehřívání a nebezpečným termálním únikům získává ještě větší význam v rozsáhlých instalacích, kde se mohou problémy rychle šířit. Průmysl přijal několik přístupů, jak udržet věci pod kontrolou. Chladicí systémy je třeba řádně nainstalovat, zatímco pokročilé systémy řízení baterií (BMS) pomáhají zabránit potenciálním termálním poruchám ještě před jejich vznikem. Dalším klíčovým opatřením je zajištění elektrické izolace každé buňky od ostatních, stejně jako pečlivé sledování teploty během provozu a průběhu nabíjecích cyklů. Výzkumy ukazují, že přibližně jedna pětina všech poruch baterií souvisí s nedostatečným termálním řízením, což vysvětluje, proč mnoho společností věnuje těmto ochranným opatřením pro své systémy ukládání energie velké investice.
Správná manipulace s lithiovými bateriemi začíná dodržováním správných postupů při manipulaci. Většina výrobců zdůrazňuje význam použití certifikovaných nabíječek a přesného dodržování jejich napěťových specifikací, aby se předešlo nebezpečným situacím. Stejně důležitá je i skladovací podmínky – bezpečnostní skupiny často upozorňují, že je nejlepší uchovávat je na chladném a suchém místě, mimo horká místa nebo oblasti, kde by mohly být vystaveny přímému slunečnímu záření. Společnosti by měly věnovat čas školení zaměstnanců, jak tyto energetické zdroje správně používat. Pravidelné kontroly a údržba výrazně pomáhají snižovat potenciální rizika. Pro zařízení využívající obnovitelné zdroje energie, která těžce spoléhají na lithiovou technologii, je správné zvládnutí těchto základních kroků nejen dobrým zvykem – je to prakticky nezbytné, pokud chceme, aby naše řešení využívající zelenou energii byla trvalá.
Budoucnost lithiové bateriové technologie vypadá optimisticky, protože výzkumníci pracují na lepších a trvalejších možnostech ukládání energie. Hlavními oblastmi, kde vědci dosahují pokroku, je zvyšování množství energie, kterou tyto baterie mohou uchovat, urychlení procesu nabíjení a prodloužení jejich životnosti. Díky těmto vylepšením vidíme baterie, které mají větší výkon, přitom kratší dobu nabíjení a delší trvanlivost mezi výměnami – což je zásadní například pro elektromobily a ukládání elektřiny získané ze solárních či větrných zdrojů. Některé nedávné průlomy zvýšily energetickou kapacitu přibližně o 15 procent a zároveň zkrátily dlouhé čekací doby při nabíjení. Tento typ vylepšení pomáhá snižovat náklady v mnoha odvětvích, od dopravy po výrobu, zatímco firmy hledají způsoby, jak snížit svou uhlíkovou stopu, aniž by obětovaly výkon.
Baterie se z pevného elektrolytu vypadají velmi nadějně do budoucna, protože dokážou uchovávat více energie na menší ploše a zároveň jsou mnohem bezpečnější než současné baterie. Místo hořlavých kapalných elektrolytů využívají tyto nové baterie pevné látky, což znamená, že nehrozí úniky ani požáry, když něco selže. Co činí tuto technologii tak zajímavou, je skutečnost, že kromě vyšší bezpečnosti dokáže uchovávat energii i hustěji. Proto sledují vývoj výrobci automobilů i výrobci elektroniky velmi pozorně. Výzkum v této oblasti pokračuje rychlým tempem a během několika let se pevné baterie mohou začít objevovat v našich kapsách a pod kapoty automobilů v cenách dostupných širší veřejnosti. Mluvíme zde o něčem, co může změnit způsob, jakým napájíme všechno od chytrých telefonů až po elektrické nákladní automobily, a to s lepším výkonem a bez rizika vzniku požáru spojeného s dnešními bateriovými technologiemi.