Lítiové batérie využívajú na správne fungovanie tri hlavné komponenty – anódu, katódu a elektrolyt – ktoré spolu pracujú a zabezpečujú dobrý výkon. V súčasnosti sú väčšina anód vyrobená z grafitu, pretože sú schopné udržať lítiové ióny počas nabíjania batérie. Táto schopnosť uchovávať veľké množstvo iónov je dôvod, prečo lítiové batérie disponujú pôsobivou energetickou hustotou, čo ich činí vynikajúcimi pre použitie v rozsiahlych prenosných napájacích zariadeniach, ktoré ľudia používajú počas výletov a kempovania. Ak sa teraz pozrieme na katódy, zvyčajne obsahujú rôzne typy lítiových kovových oxidov. Medzi bežné patrí oxid lítio-kobaltu a fosforečnan lítia a železa. Čo robí tieto materiály špeciálnymi, je ich schopnosť zvyšovať celkové množstvo uloženej energie a zároveň udržiavať stabilitu systému, aj keď sa menia teplotné podmienky alebo dochádza k výkyvom v používaní.
V batériách slúži elektrolyt ako cesta, po ktorej sa lítiové ióny pohybujú sem a tam medzi kladnou a zápornou elektródou. Najčastejšie sa pripravuje rozpustením lítiových solí v organických rozpúšťadlách. Stabilita tejto zmesi pri rôznych teplotách priamo ovplyvňuje životnosť batérie a bezpečnosť jej prevádzky. Pre aplikácie ako sú elektromobily alebo veľké skladovacie systémy v energetike je nevyhnutné zachovať túto chemickú stabilitu, keďže nikto nechce, aby zariadenie alebo systém zlyhal po niekoľkých mesiacoch bežného používania. Všetky tieto súčiastky musia správne fungovať spoločne, aby naše telefóny vydržali nabité celý deň, zdravotnícke zariadenia spoľahlivo fungovali a zdroje obnoviteľnej energie mohli účinne uchovávať elektrinu v čase jej najväčšej potreby.
Separator zohráva dôležitú úlohu pri zabezpečovaní lítiových batérií a ich správnym fungovaní. V podstate zabezpečuje, aby sa kladná a záporná časť batérie nemohli priamo dotýkať, čo by inak spôsobilo nebezpečné skraty a potenciálne by zničilo celý batériový balíček. Väčšina separatorov dnes je vyrobená z plastov, ako napríklad polyetylén alebo polypropylén. Tieto materiály umožňujú lítiovým iónom voľne sa pohybovať, no zároveň blokujú elektróny. Pomáhajú tiež zabrániť tvorbe tzv. dendritov vo vnútri batérie. Dendrity pripomínajú akési malé stromčeky rastúce cez separator a ak sa stanú príliš veľkými, môžu dokonca prekliť materiál a spôsobiť vážne problémy.
Kvalita separátora má v priemyselnom prostredí veľký význam, čo potvrdzuje množstvo výskumov a tiež niekoľko odvolaní výrobkov v priebehu rokov spôsobených chybnými separátormi. Nájsť správnu rovnováhu, kde ióny môžu voľne pohybovať, ale bez poškodenia bezpečnosti, je stále veľmi dôležité. Pri výstavbe batérií, ktoré dlhodobo vydržia a fungujú efektívne, už nie je možné šetriť na kvalitných materiáloch separátorov. V skutočnosti ide o zdravý podnikateľský krok. Tieto separátory nerobia len to, že tam sedia – hrajú kľúčovú úlohu v rôznych typoch energetických úložísk. Stačí pomyslieť na solárne elektrárne alebo na tie malé prenosné nabíjačky, ktoré si ľudia teraz nosia všade so sebou. Bez správnych separátorov by tieto technológie nemohli dlhodobo bezpečne a efektívne fungovať.
Lítiové batérie fungujú preto, že lítiové ióny cestujú tam a späť medzi anódou a katódou. Keď prebieha nabíjanie, tieto ióny sa presúvajú z anódy na katódu, kde sa ukladá energia. A keď potrebujeme energiu, ióny sa vracajú späť na anódu a vytvárajú elektrinu. Ako dobre tento celý proces funguje, určuje výkon batérie. Štúdie ukazujú, že udržiavanie hladkého pohybu iónov má rozhodujúci vplyv na to, ako dlho batéria vydrží, než začne degradovať. Čím lepšia je priepustnosť iónov, tým dlhšia je životnosť batérie a tým väčšia jej spoľahlivosť. Preto sa dnes veľa zariadení spolieha na lítiovú technológiu pri svojich energetických potrebách.
Redox reakcie, teda chemické zmeny, pri ktorých dochádza k redukcii alebo oxidácii, prebiehajú vo vnútri lítiových batérií a umožňujú im uvoľňovať energiu. V podstate tieto reakcie prebiehajú na oboch koncoch batérie – na anóde a katóde – zatiaľ čo elektróny sa pohybujú a ióny lítia preskakujú tam a späť. Dôkladné pochopenie toho, ako tieto reakcie fungujú, má veľký význam pri vývoji lepších batériových materiálov, ktoré efektívnejšie uchovávajú energiu. Už roky upozorňujú výskumníci, že správne zvládnutie tejto chémie umožňuje všetky tie nové batériové technológie, o ktorých neustále počujeme. Čím lepšie pochopenie redox reakcií, tým lepšie batérie dnes a zároveň otvorené dvere pre ešte zaujímavejšie inovácie v budúcnosti, či už pre naše elektronické zariadenia, alebo elektromobily.
Systémy na riadenie batérií alebo BMS sú veľmi dôležité na udržiavanie stability lítium-iontových batérií, pretože monitorujú napätie v každej jednotlivej článkovej jednotke. Keď k tomuto monitorovaniu dochádza správne, udržiava každú článkovú jednotku v rámci bezpečného rozsahu, kde by mala byť, a zabraňuje javom, ako je prebitie, ktoré by so sebou priniesli horšie výkony batérie v priebehu času a nakoniec by skrátili jej životnosť. Jednou z kľúčových častí funkcie BMS je vyrovnávanie článkov. V podstate to znamená zabezpečiť, aby všetky články mali približne rovnaké množstvo náboja. Väčšina výrobcov zistí, že keď sú články správne vyvážené, celý batériový balíček vydrží dlhšie a počas svojej životnosti poskytuje stabilnejší výkon. Niektoré štúdie dokonca naznačujú, že správne vyváženie môže v reálnych podmienkach zlepšiť celkovú účinnosť batérie približne o 15 %.
Výskum ukazuje, že keď sú bunky správne vyvážené, batérie vydržia približne o 25 % dlhšie ako batérie bez tejto vlastnosti. Preto sa dnes systémy riadenia batérií (BMS) stávajú tak dôležitými, najmä v prípade tých špičkových lítiových balíčkov, ktoré vidíme všade – od elektromobilov až po riešenia na ukladanie energie z fotovoltaických systémov. Keď je napätie efektívne monitorované a bunky sú vyvážené, skutočne to robí rozdiel v spoľahlivosti a účinnosti týchto systémov na ukladanie energie. Vezmite si napríklad prenosné nabíjačky – pracujú jednoducho lepšie po dlhšiu dobu, pretože ich vnútorné komponenty neustále nezasahujú do činnosti jedna druhej.
Správa tepla je jednou z tých podstatných úloh, ktoré riadi systém riadenia batérie (BMS), aby všetko fungovalo bezpečne. Tieto systémy majú zabudované snímače, ktoré zisťujú, keď batérie začnú byť príliš horúce vo svojich balení, a potom aktivujú regulátory, ktoré buď tento teplo presunú niekam inde, alebo ho úplne odstránia. Udržiavanie batérií na správnej teplote je veľmi dôležité pre ich efektivitu a bezpečnosť. Väčšina batérií dosahuje najlepší výkon, keď teplota kolíše okolo 0 °C až 45 °C. Ak však teplota príliš stúpne, batérie už nefungujú tak efektívne. A pravdu povediac, veľmi vysoké teploty môžu dokonca spôsobiť úplné zlyhanie batérií, čo nikto nechce, najmä nie v kritických situáciách, ako je zálohovanie elektrickej energie pri núdzových prípadoch.
Efektívne tepelné regulovanie je kľúčom na predchádzanie tepelnej úteku, významnej príčine požiarov batérii, ktoré sú často spojené s batériami elektrických bicyklov a inými aplikáciami litniových ionov. Výskum zdôrazňuje dôležitosť tepelnej regulácie pri zmierňovaní týchto rizík, podriadením úlohy funkčného BMS v situáciách bezpečnosti batérie.
Systémy na riadenie batérií (BMS) sú vybavené dôležitými ochranami proti veciam ako je prebitie a hlboké vybíjanie. Väčšina moderných konštrukcií BMS má v skutočnosti dva typy vypnutí, ktoré spolu pracujú – tvrdé vypnutia, ktoré fyzicky zastavia proces, keď je to potrebné, a jemnejšie, ktoré len spomalia proces, skôr než sa situácia príliš zhorší. Tieto bezpečnostné opatrenia sú veľmi dôležité na udržiavanie batérií v dobrom stave počas ich životnosti a na ochranu ich používateľov. Zamyslite sa, čo sa stane, keď sa batéria v telefóne príliš zahreje – môže sa vznietiť! Systém BMS v podstate pôsobí ako varovný systém, ktorý zachytáva problémy ešte predtým, než sa stanú vážnymi katastrofami, ako sú opuchnuté články alebo úplné zlyhanie.
Čísla potvrdzujú, ako dobré sú tieto ochranné systémy v skutočnosti. Podľa údajov z viacerých štúdií priemyslu batérie so solídnym nastavením BMS jednoducho nefailujú tak často. Dáva to zmysel, keď si uvedomíte, že monitorovací systém zachytí problémy, skôr ako by sa mohli stať vážnymi. Pre každého, kto sa zaujíma o dlhodobú spoľahlivosť, investovanie do kvalitnej technológie BMS sa veľmi vyplatí, a to z hľadiska bezpečnosti aj životnosti. Toto najjednozornejšie vidíme pri riešeniach na ukladanie energie z obnoviteľných zdrojov, kde výpadky znamenajú stratu peňazí, a tiež pri odolných vonkajších nabíjačkách, na ktoré sa ľudia spoliehajú počas výletov alebo núdzových situácií.
Lítiové batérie dnes dokážu zabaliť oveľa viac energie do menších priestorov v porovnaní so staršími typmi batérií. Preto tak dobre fungujú v tých prenosných nabíjačkách, ktoré ľudia všade používajú. Keďže zaberiejú menej miesta, výrobcovia ich môžu zabudovať do všetkých druhov zariadení a gadgetov. Myslite na elektromobily, turistické vybavenie, dokonca záložné elektrické systémy pre domácnosti počas výpadkov. Podľa niektorých trhových výskumov tieto jednotky poháňané lítiovými batériami v skutočnosti udržiavajú približne desaťkrát viac náboja ako bežné olovené batérie. Dáva to zmysel, keď zvážime, ako výrazne lepšie celkovo fungujú pri ukladaní elektriny.
Lítiové batérie vydržia tisíce nabíjacich a vybíjacích cyklov, kým začnú prejavovať väčšie opotrebenie – niekedy dosiahnu až 5000 cyklov pred výmenou. Keďže vydržia veľmi dlho, tieto batérie sa výborne hod ia na ukladanie solárnej energie. Dlhšia životnosť znamená, že majitelia domov a firmy nemusia batérie tak často meniť, čo z dlhodobého hľadiska ušetrí peniaze. Mnohí ľudia, ktorí prešli na lítiové batérie pre svoje solárne systémy, uvádzajú, že sa im počiatočná investícia vrátila rýchlejšie ako očakávali. Táto kombinácia odolnosti a nákladovej efektívnosti z lítiových batérií robí výbornú voľbu pre každého, kto uvažuje o dlhodobých riešeniach na ukladanie energie, najmä v spojení so solárnymi panelmi.
Získanie maximálneho výkonu z lítiových batérií začína s rozumnými návykmi nabíjania. Keď ľudia dodržiavajú základné pravidlá, ako používať správny nabíjačku pre svoje zariadenie a udržiavať batérie mimo veľmi horúce alebo studené prostredie, zvyčajne dosahujú oveľa lepšie výsledky v priebehu času. Štúdie skutočne ukázali, že pomalšie nabíjanie pomáha batériám vydržať dlhšie, pričom udržiava dobrú úroveň výkonu počas ich životnosti. Väčšina príručiek o batériách bude ľuďom opakovať rovnakú vec o tom, ako dôležité sú pravidelné vzorce nabíjania pre získanie maximálneho využitia z ich batérií. Prijatie týchto jednoduchých prístupov dáva zmysel aj ekonomicky, aj environmentálne. Keď prenosné nabíjačky vydržia dlhšie, spotrebitelia ušetria peniaze na náhradách a znižujú odpady vo všetkom, od smartfónov až po záložné systémy, ktoré závisia od spoľahlivého ukladania energie.
Bezpečnostné pravidlá sú veľmi dôležité na zamedzenie termálneho úniku, ktorý je stále jednou z najväčších obáv týkajúcich sa lítiových batérií. Používatelia by mali používať iba nabíjačky s príslušnými certifikáciami a zabezpečiť, aby batérie počas manipulácie nespadli alebo neboli stlačené. Mnohé problémy vznikajú jednoducho nesprávnym skladovaním batérií doma, často v blízkosti zdrojov tepla alebo vo vlhkých miestach. Reálne údaje však ukazujú niečo zaujímavé – ak ľudia skutočne dodržiavajú tieto základné pokyny, počet incidentov výrazne klesá. Pre výrobcov, ktorí pracujú na riešeniach na ukladanie energie, je dôraz na bezpečnostné protokoly v reálnom svete už viac než len otázkou dodržiavania predpisov. Stáva sa nevyhnutným pre budovanie dôvery na trhu a zároveň chráni spotrebiteľov aj objekty pred potenciálnymi rizikami.
Keď podniky vedia, ako lítiové batérie fungujú do hĺbky, má to reálny vplyv na efektívne riadenie energie v systémoch ako sú energetické siete alebo mobilné zariadenia. Ak aplikujú techniky ako predpovedanie energetických zaťažení a optimalizácia nabíjacích cyklov, ich úložné systémy sa stanú oveľa efektívnejšími. To znamená, že dosahujú väčšiu efektívnosť pri nižších nákladoch a zároveň spätne menej energie. Pozrime sa na aktuálnu trhovú situáciu – podniky, ktoré tieto postupy skutočne implementujú, hlásia až 30 % lepšie výkonnostné ukazovatele. Ak tieto koncepty začlenia do existujúcich systémov riadenia energie, môžu plne využiť všetky výhody, ktoré ponúkajú lítiové batérie. Výsledkom sú úložné riešenia, ktoré nielenže zvládajú rastúcu poptávku, ale zároveň odolávajú skúške času bez neočakávaných porúch.
