Lithium-iontová baterie - vše, co o ní potřebujete vědět

Jak dobře víte, lithium-iontová technologie je naším chlebem a máslem. Ne každý si však je vědom toho, jak je to v životě každého běžné. Lithium-iontové baterie nejsou jen notebooky, ale také elektrické nářadí, vysavače, drony a dokonce i automobily. Dnes zjistíme, co vlastně Li-ion baterie jsou a proč jsou tak běžné.

Historie vývoje li-ion technologie

Již na počátku 20. století byl zaznamenán velký potenciál lithia jako materiálu baterie. Je to kov s nejnižší hustotou, vysokým elektrochemickým potenciálem a vysokým poměrem energie k hmotnosti. Americký chemický fyzik George Newton Lewis začal experimentovat s lithiovými bateriemi již v roce 1912, ale lithiové baterie se na trhu objevily až v roce 1970. První velký skok k lithium-iontovým článkům nastal v roce 1979. Profesor John Goodenough a Koichi Mizushima z Oxfordské univerzity vytvořili nový typ lithiové baterie, ve které lithium mohlo procházet baterií z jedné elektrody na druhou jako ionty. Toto řešení je základem pro současné lithium-iontové baterie. Níže je uveden diagram fungování baterie. Během nabíjení se lithiové ionty pohybují z uhlíkové anody na katodu oxidu lithného a jiného kovu a jsou tam ukládány. Během vybíjení se tento proces obrací ... ale o samotné struktuře a provozu za okamžik.

První komerční lithium-iontovou baterii jsme však dostali až v roce 1991. Společnost Sony ji představila ve svých fotoaparátech a další společnosti následovaly ve stopách japonského giganta. Velkou výhodu lithium-iontové technologie oproti tehdy dominující technologii nikl-kadmium si rychle všimli. Výhodou byla nejen vysoká hustota, umožňující akumulovat dvakrát tolik náboje v baterii stejné velikosti, ale také vysoké napětí článku na úrovni 3,6V. Nikl-kadmiové články měly napětí 1,2 V, takže k získání podobného napětí bychom potřebovali tři. Mezi další výhody, které posunuly li-ion vpřed, patří nedostatek paměťového efektu, nízký dopad na životní prostředí a pomalejší samovybíjení. 

Konstrukce lithium-iontové baterie

Na samém začátku by bylo vhodné rozlišovat mezi dvěma pojmy, které budeme v tomto segmentu používat – článek a baterií.

Článek – základní zařízení pro skladování energie, skládající se z elektrod, separátoru a elektrolytu. Teoreticky by samotný článek mohl fungovat jako baterie, ale v případě lithium-iontových článků by to bylo nebezpečné, mimo jiné kvůli riziku přehřátí. Lithium-iontový článek může mít mnoho tvarů, ale válcová forma 18650 je zdaleka nejběžnější. Tento údaj představuje rozměry - asi 18 mm v průměru a 65 mm na délku. Takové články mají maximální kapacitu 3 500 mAh, ale proud, který mohou rozdávat, se může lišit v závislosti na jejich konstrukci. Buňky mohou mít různé chemické struktury, což významně ovlivňuje jejich parametry. Nejoblíbenější verzí je lithium-kobalt, ale články lze postavit např. mangan, titan, hliník a nikl v různých směsích a poměrech. Většina z těchto možností je však nerentabilní. 

Lithium-iontový článek typu 18650 od společnosti Samsung

Baterie (akumulátor) - baterie je zařízení sloužící k ukládání elektřiny a přizpůsobené k bezpečnému vracení této energie. Pro účely tohoto článku se omezujeme na definici lithium-iontové baterie, což je opakovaně použitelná baterie – lze ji nabíjet a vybíjet.

Baterie se může skládat z libovolného počtu článků. Většina lithium-iontových baterií se skládá z dříve zmíněných 18650 článků zapojených do série na vyšší napětí. Stejné články mohou vytvořit jak baterii notebooku s napětím 10,8 V (6 článků, připojených 3S2P, tj. 3 v sérii a 2 paralelně), tak obrovskou baterii Tesla P100D s napětím přes 400 V a maximálním výkonem 451 kW. Tato baterie se skládá z více než 7 000 18650 článků, podobně jako na obrázku výše. Všechno však naznačuje, že tato technologie bude změněna na jiný typ li-ion. Tesla ve spolupráci se společností Panasonic vyvíjí nový typ článků ve formátu 2170 s odlišnou chemickou strukturou. Prozatím je tento plán omezen na Tesla Model 3, první rozpočet automobilu amerického technologického průkopníka. 

Baterie Tesla S s více než 7 000 18650 články uvnitř

Výkon a životnost lithium-iontové baterie

Provozní doba lithium-iontové baterie závisí na dvou věcech: kapacitě a  spotřebě energie . Kapacita li-ion baterie je nejčastěji vyjádřena v mAh a pro každou baterii se mění v důsledku používání. Tovární maximální kapacita baterie notebooku na úrovni např. 4 400 mAh po roce používání může být již snížena na např. 4 000 mAh. To samozřejmě přímo ovlivňuje provozní dobu zařízení. Pokud se chcete dozvědět něco více o kapacitě baterie, podívejte se na náš článek věnovaný tomuto tématu.

Druhým aspektem je spotřeba energie. V případě notebooku nebo telefonu může být spotřeba energie způsobena mnoha faktory, jako je jas obrazovky, využití procesoru, používání internetu, a dokonce i teplota a stáří samotného zařízení. V závislosti na každé z těchto podmínek se pracovní doba může dramaticky lišit. Mějte také na paměti, že lithium-iontová baterie také ztrácí nabití, když je nečinná.

Každá baterie je náchylná ke stárnutí a Li-ion technologie není výjimkou. Jejich životnost se však může výrazně lišit v závislosti na intenzitě a správnosti použití. Je velmi častým případem, že stejná baterie vydrží u jedné osoby 1,5 roku, u jiné dokonce 5 let. Kratší životnost baterie je často způsobena nevhodným používáním. Nejškodlivější chybou, které můžete udělat, je hluboké vybití vybitím baterie na 0% a ponecháním v tomto stavu po dlouhou dobu.

Bohužel velmi často zcela nevědomým jednáním baterii vážně poškodíme a místo toho po několika letech s námi po roce odmítne spolupracovat. Pokud se chcete dozvědět více o správném zacházení s baterií, podívejte se na našeho průvodce - Jak používat baterii .

Další vývoj lithium-iontové baterie?

Je pravda, že technologie li-ion a podobná technologie lithium-polymer stále dominují většině přenosných zařízení, ale to neznamená, že v této oblasti nedochází k žádným změnám. Na obzoru máme alespoň několik vylepšení, která by mohla mobilní technologii pohánět ještě dále. Jedním z nich je určitě výše uvedená nová technologie vytvořená společností Tesla. Existují také vylepšení související s používáním grafenu na obzoru. Pokud lze nalézt pouze jednoduchou a levnou metodu získávání grafenu, lze ji určitě použít ke zlepšení lithium-iontových článků. O grafenu v bateriích se také dočtete v našem článku. Prozatím se však rozloučíme, doufáme, že jsme dostatečně zdůraznili otázku li-ionu, ale pokud máte nějaké dotazy, neváhejte se zeptat v komentářích.