Літієві акумулятори, або акумулятори типу літій-іонного, як їх часто називають, працюють за рахунок зберігання та вивільнення енергії за допомогою цих мікрочастинок, відомих як літійові іони. Коли акумулятор живить щось, ці іони фактично рухаються з одного кінця акумулятора (анода) до іншого кінця (катода). Саме це переміщення і робить їх настільки особливими порівняно з попередніми технологіями акумуляторів. Вони можуть вміщувати набагато більше енергії в менших об'ємах, не маючи значної ваги. Саме тому мобільні телефони та ноутбуки стають дедалі тоншими, але при цьому зберігають працездатність протягом довшого часу між підзарядженнями. Густина енергії значно перевищує більшість інших сучасних альтернатив на ринку.
Літієві акумулятори зараз скрізь, у нашому технічно розвиненому житті. Ці джерела живлення живлять усе — від наших щоденних пристроїв, таких як телефони й ноутбуки, до більших речей, таких як електромобілі та системи зберігання сонячної енергії. Що робить їх такими популярними? Вони легкі, але при цьому добре тримають заряд довгий час. Саме ця поєднаність зробила їх незамінними — не тільки для наших кишенькових гаджетів, але й для розвитку екологічних джерел енергії, на які тепер активно інвестують багато компаній.
Літієві акумулятори працюють за рахунок виробництва електрики через хімічні реакції всередині них, по суті, переміщуючи дрібні літієві частинки для створення електричного струму. Коли ми використовуємо ці акумулятори, літієві частинки починають рухатися з одного боку (що називається анодом) на інший бік (катод), проходячи через речовину, яка називається електроліт. У процесі свого руху туди й назад ці частинки виробляють електрику, яка живить усе — від смартфонів до електромобілів. Через їхню ефективність у зберіганні та віддачі енергії літієві акумулятори стали дуже важливими для таких речей, як сонячні панелі й вітряні турбіни, де важливе постійне енергопостачання.
Коли ми заряджаємо літієві акумулятори, насправді літієві іони рухаються назад до анодної частини акумулятора. Для цього нам потрібно подати трохи електрики ззовні самого акумулятора. Напруга має бути вищою, ніж та, що вже є всередині, приблизно як штовхання проти тиску води. Це штовхає ті маленькі іони назад до анодного боку. Це працює майже навпаки порівняно з тим, коли акумулятор використовується, тому що тоді іони просто дрейфують у бік катода. Ці постійні рухи між анодом і катодом дуже важливі для того, наскільки добре акумулятор може зберігати енергію і віддавати її знову пізніше. Без цього обміну наші телефони не працювали б так довго між зарядками. І кажучи про реальне життя, весь цей процес робить літієві акумулятори надзвичайно корисними для таких речей, як електромобілі та зберігання відновлюваної енергії у великих мережах, допомагаючи нам рухатися до більш чистих джерел енергії в цілому.
Існує доволі широкий діапазон типів літієвих акумуляторів, кожен з яких підходить для виконання різних завдань залежно від хімічного складу та способу роботи. Візьмемо, наприклад, літій-залізо-фосфатні або LFP-акумулятори. Ці потужні акумулятори стали найпопулярнішим вибором для багатьох проектів зберігання енергії завдяки їхній здатності витримувати високу температуру та витримувати тисячі циклів зарядки. Саме тому їх так полюбили в сфері відновлюваної енергетики, коли йдеться про заміну старих свинцево-кислотних акумуляторів, які потребують постійного обслуговування. У реальних умовах експлуатації ці LFP-акумулятори легко витримують понад 2000 повних циклів зарядки, залишаючись стійкими навіть при інтенсивному використанні. На відміну від деяких інших літієвих хімічних складів, їм не заважає повністю розряджатися, що робить їх особливо корисними для сонячних електростанцій і систем резервного живлення, де потрібна максимальна гнучкість.
Батареї LMO широко використовуються в електромобілях, оскільки забезпечують гарну продуктивність у різних умовах. Однією з головних переваг є їхня стабільність навіть під час коливань температури, а також вони загалом безпечніші порівняно з багатьма іншими альтернативами. Спеціальний матеріал катоду дозволяє їм швидко заряджатися і витримувати більші струми. Крім електромобілів, ці батареї добре працюють у потужних інструментах, де важливою є короткочасна віддача енергії, а також у деяких медичних пристроях, яким потрібне надійне джерело живлення. З іншого боку, більшість батарей LMO не такі довговічні, як деякі конкуренти. Випробування в реальних умовах показали, що вони зазвичай витримують приблизно 300–700 циклів зарядки перед тим, як їх потрібно буде замінити. Для виробників це означає, що завжди потрібно шукати баланс між високими експлуатаційними характеристиками та витратами на заміну в майбутньому.
Батареї типу LCO використовуються скрізь у наших гаджетах, тому що вони забезпечують високу потужність у обмеженому просторі. Смартфони, планшети, навіть ноутбуки використовують цю технологію завдяки її вражаючим енергетичним характеристикам. Що забезпечує їхню ефективність — це здатність тримати заряд довше, не займаючи багато місця. Але є і недолік, про який варто згадати. Безпека стає більшою проблемою, адже ці батареї гірше витримують високі температури порівняно з іншими варіантами і швидше зношуються з часом. Проте виробники продовжують використовувати батареї LCO просто тому, що поки що ніщо не може конкурувати з їхньою енергетичною щільністю для живлення сучасних стильних електронних пристроїв.
Якщо порівняти літієві акумулятори зі старими моделями на основі свинцю, то різниця стає очевидною в кількох ключових аспектах, таких як вага, кількість циклів зарядки та загальна ємність зберігання енергії. Літієві акумулятори значно легші, що робить їх чудовим вибором для переносних пристроїв або автомобілів, на відміну від важких свинцевих акумуляторів, які ніби цілі цеглини. Завдяки меншій вазі забезпечується більша ефективність при переміщенні речей протягом дня. Ще однією суттєвою перевагою літієвих акумуляторів є їхній термін служби до заміни. Більшість літієвих акумуляторів витримують приблизно 2000 повних циклів зарядки, тим часом як акумулятори на свинцевій основі зазвичай виходять з ладу після 500–1000 циклів зарядки. Не можна не згадати й про енергетичну ємність. Літій зберігає приблизно вдвічі більше енергії на одиницю об’єму порівняно зі свинцевими технологіями. Саме цим пояснюється те, що наші телефони й ноутбуки можуть працювати довше між підзарядками, не стаючи при цьому більшими або важчими. Усі ці фактори разом узяті пояснюють, чому літій став найпопулярнішим вибором серед довговічних рішень, які дозволяють максимально використовувати кожну підзарядку.
Порівняння нікель-металогідридних (NiMH) акумуляторів із літієвими демонструє чіткі відмінності у їх ефективності, продуктивності та витратах на експлуатацію. Літієві акумулятори працюють краще, адже вони здатні накопичувати більше енергії в меншому об'ємі та заряджаються значно швидше. Це означає менше часу на очікування зарядки й кращу загальну продуктивність — особливо важливо для електромобілів, де важливі кожна хвилина. Ще однією перевагою літієвих акумуляторів є простота у технічному обслуговуванні. Ці акумулятори не мають зненавидженого ефекту пам’яті, властивого NiMH-батареям, який призводить до втрати ємності після багаторазових неповних зарядок. Крім того, літієві акумулятори довше служать, тому, незважаючи на вищу початкову вартість, більшість підприємств вважає їх більш економічними у довгостроковій перспективі, враховуючи загальну вартість володіння. Для галузей, які потребують надійного джерела живлення без значних витрат на заміну, літієві акумулятори стали найкращим вибором, попри витрати на початкове придбання.
Переробка літієвих акумуляторів має велике значення для зменшення їхнього екологічного сліду. Більшість операцій з переробки спрямовані на добування цінних матеріалів, таких як літій, кобальт і нікель, із застарілих акумуляторів замість того, щоб дозволити все це викинути. Увесь процес починається зі збору відпрацьованих акумуляторів із електричних транспортних засобів і споживчої електроніки, а потім їхнього розбирання на окремі частини. Після розділення ці дорогоцінні метали очищують і направляють назад у виробничі лінії для нових акумуляторних батарей, що допомагає створити таку систему економіки, як циркулярна економіка. Крім збереження сировини, правильна переробка перешкоджає потраплянню небезпечних хімічних речовин на звалища, де вони можуть потрапити в ґрунтові води або отруїти місцеві екосистеми з часом.
Стійкість видобутку літію має велике значення для зменшення шкоди навколишньому середовищу. Процес добування літію, який живить багато сучасних акумуляторів, часто призводить до серйозних екологічних проблем. Ми говоримо про зруйновані середовища проживання та вичерпані джерела води в районах, де ведеться видобуток. Але є й певні позитивні новини. Компанії почали експериментувати з чистішими способами отримання літію з-під землі. Деякі досліджують технології добування з солоної води, тим часом як інші зосереджуються на поліпшенні традиційних методів видобутку. Ці нові методи намагаються зменшити шкоду природі та ефективніше використовувати ресурси. Проте залишається проблемою знаходження способів задовольнити зростаючий попит на літій без нанесення шкоди місцевим середовищам. Із розвитком технологій акумуляторів постійні удосконалення в галузі видобувних операцій і програм переробки матимуть ключове значення, якщо ми хочемо продовжувати використання літієвих акумуляторів стійким чином.
Безпека залишається пріоритетною проблемою під час роботи з літієвими акумуляторами в установках на відновлюваних джерелах енергії. Запобігання перегріву та небезпечним тепловим вибухам стає ще важливішим у великомасштабних установках, де проблеми можуть швидко поширюватися. Галузь впровадила кілька підходів, щоб утримати ситуацію під контролем. Системи охолодження мають бути належним чином встановлені, тоді як сучасні системи керування акумуляторами (BMS) допомагають запобігти потенційним тепловим відмовам до їхнього виникнення. Ще однією ключовою практикою є забезпечення електричного відокремлення кожної окремої комірки від інших, а також постійний контроль температури під час експлуатації та процесів зарядки. Дослідження показують, що приблизно кожна п’ята відмова акумуляторів пов’язана з поганим тепловим керуванням, що пояснює, чому багато компаній активно інвестують у такого роду захисні заходи для своїх систем зберігання енергії.
Правильне поводження з літієвими акумуляторами починається з дотримання відповідних процедур їхнього використання. Більшість виробників наголошують на важливості використання сертифікованих зарядних пристроїв та дотримання встановлених специфікацій напруги, щоб уникнути небезпечних ситуацій. Не менш важливе і правильне зберігання — групи з питань безпеки часто зазначають, що найкраще тримати їх у прохолодному та сухому місці, подалі від гарячих зон або місць, де вони можуть перебувати під прямими сонячними променями. Компанії мають витратити час на навчання персоналу правильному поводженню з цими джерелами живлення. Регулярні перевірки та технічне обслуговування значною мірою допомагають знизити потенційні небезпеки. Для систем відновлюваної енергії, які значною мірою залежать від літієвих технологій, правильне виконання цих базових вимог — це не просто добре практика, а практично обов’язкова умова, якщо ми хочемо, щоб наші рішення з «зеленої» енергетики тривали довго.
Майбутнє виглядає перспективним для технології літієвих акумуляторів, оскільки дослідники працюють над створенням кращих і більш надійних варіантів зберігання енергії. Основні напрямки, у яких вчені досягають прогресу, включають підвищення кількості енергії, яку можуть утримувати ці акумулятори, прискорення процесу зарядки та збільшення терміну їхньої служби. Благодаря цим поліпшенням, ми бачимо акумулятори, які мають більшу потужність, швидше заряджаються і довше служать між замінами — це має велике значення для таких сфер, як електромобілі та зберігання електроенергії, отриманої від сонячних або вітрових електростанцій. Останні досягнення, схоже, збільшили ємність акумуляторів приблизно на 15 відсотків і скоротили тривалість тривалого очікування під час зарядки. Такі удосконалення допомагають знизити витрати в багатьох галузях — від транспорту до виробництва, адже компанії шукають способи зменшити свій вуглецевий слід без шкоди для продуктивності.
Твердотільні літієві акумулятори виглядають дуже перспективно на майбутнє, адже вони здатні вміщувати більше енергії в меншому об'ємі, одночасно забезпечуючи значно більшу безпеку порівняно з сучасними аналогами. У цих нових акумуляторів замість легкозаймистих рідких електролітів використовуються тверді матеріали, що означає відсутність витоків або пожеж у разі виходу з ладу. Цікавість цієї технології полягає не лише у підвищеній безпеці, а й у тому, що вона дозволяє щільніше зберігати енергію. Саме тому виробники автомобілів і електроніки уважно стежать за розвитком цієї галузі. Дослідження рухаються швидко, і вже за кілька років твердотільні акумулятори можуть з'явитися в наших смартфонах і електромобілях за доступними цінами. Ми говоримо про технологію, яка здатна змінити спосіб живлення всього — від смартфонів до електричних вантажівок, забезпечуючи кращу продуктивність без ризику виникнення пожеж, властивого сучасним акумуляторним технологіям.