Tabela 4: Zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe i lit dla samochodów elektrycznych Studiując Tabelę 4 można zauważyć, że roczna produkcja miliona samochodów elektrycznych z niewielkimi pakietami 20 kWh będzie skutkowała zapotrzebowaniem na lit w wysokości 2-3 tys. ton (co stanowi około 10% obecnej produkcji).

Każdy nosi je przy sobie, a mało kto wie jak działają. Zapraszam na artykuł odkrywający tajemnicę tych niezwykłych akumulatorów. Dawno, dawno temu… Zacznijmy może od ciekawostki. Czy wiesz, że pierwszy akumulator powstał przeszło 160 lat temu? Był to model ołowiowo-kwasowy, zbudowany w 1859 roku przez niejakiego Gastona Planté. I choć świat od tamtej pory poszedł mocno do przodu, to poczciwym ,,kwasówkom” udało się jakoś przetrwać do dziś. Wszystko dzięki ich zdolności do błyskawicznego dostarczenia ogromnej mocy, jakiej wymagają chociażby rozruszniki samochodów spalinowych. Nie bez znaczenia jest też ich niska cena – akumulatory kwasowo-ołowiowe do dziś nie mają pod tym względem konkurencji. Spieszmy się kochać akumulatory kwasowe – za 15 lat będą gatunkiem mocno zagrożonym Ponad pół wieku później, w 1908 roku Thomas Alva Edison zaprezentował światu akumulator niklowo-żelazowy (Ni-Fe). Skonstruował go z myślą o elektrycznych samochodach (tak, ta technologia również jest niezwykle stara). Niestety koszt produkcji ogniw Ni-Fe okazał się na tyle duży, iż nie znalazły one powszechnego zastosowania. Niszą, do której pasowały idealnie, okazały się segmenty urządzeń przeznaczonych do pracy pod ziemią oraz elektrycznych pociągów (dla których ,,kwasówki” były niewystarczające). Co ciekawe z akumulatorów Ni-Fe do dziś korzystają lokomotywy serwisowe londyńskiego metra (uruchamiane w razie braku prądu w mieście). Niedługo potem, po 10 latach wytężonych prac Waldemara Jungnera, w 1909 roku pojawiły się pierwsze akumulatory niklowo-kadmowe (Ni-Cd). Ich kariera bardzo szybko nabrała rozpędu, głównie za sprawą w miarę przystępnej ceny i obu Wojen Światowych. Stąd, w pierwszej połowie XX wieku, akumulatory Ni-Cd były podstawowym źródłem energii sprzętu wojskowego: od lotnictwa (rozruch silników), przez technologię komunikacyjną, na zasilaniu słynnych pocisków rakietowych V-2 kończąc. Po II Wojnie Światowej nastała era tranzystorów i miniaturyzacji, a wraz z nią potrzeba tworzenia coraz to lżejszych i mniejszych akumulatorów. Wtedy też w latach 60-tych Volkswagen opracował ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMh). Akumulatory te po pewnym czasie (i kilku usprawnieniach) były w stanie przechować ponad 2 razy więcej energii niż ich starsi, kadmowi bracia o tych samych gabarytach. Do tego NiMh’y były jeszcze tańsze w produkcji, przez co w latach 80-tych praktycznie przejęły rynek akumulatorów. I choć na horyzoncie majaczyła już bardzo obiecująca technologia litowa, to ogniwa NiMh bardzo długo pozostały podstawowym źródłem energii tanich elektronarzędzi, aparatów fotograficznych, zdalnie sterowanych zabawek, a nawet samochodów elektrycznych (Toyota Prius, Honda Civic Hybrid, czy Forde Espace Hybrid). Niestety ani niska cena, ani niezłe parametry, nie mogły dawać szans w starciu ze zbliżającym się wielkimi krokami litem. Ten niepozorny pierwiastek już wkrótce miał zadecydować o tym jak będzie wyglądał nadchodzący XXI wiek. Akumulatory litowo-jonowe w telefonach goszczą już od 20 lat W 2019 roku John Goodenough, Stanley Whittingham i Akira Yoshino zostali uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie i rozwój akumulatorów litowo-jonowych. To właśnie ta trójka zauważyła potencjał drzemiący w licie jeszcze w latach 70-tych i rozpoczęła nad nim badania. Pierwszy akumulator działający w oparciu o lit opracowała firma Exxon już w 1978 roku. Choć trzeba nadmienić, że określenie ,,działający” użyte jest tutaj nieco na wyrost. Tak naprawdę potrzeba było kolejnych kilkunastu lat wytężonej pracy, by wreszcie w 1991 roku firma Sony wypuściła w pełni bezpieczne, sprawne, niezwykle wydajne i dostępne dla każdego Kowalskiego akumulatory litowo-jonowe. Ich rewolucyjne wręcz parametry nie pozostawiały złudzeń: ,,litówki” rozpoczęły właśnie ekspansję, której nie da się już powstrzymać. Dziś, po około 30 latach od ich narodzin, trudno byłoby znaleźć osobę, która nie ma choć jednego takiego akumulatora przy sobie (w telefonie, czy zegarku) i co najmniej kilku w domu. Co takiego sprawiło, że lit wyparł wszystkie inne konstrukcje? Dlaczego wybór padł właśnie na ten pierwiastek i co jest w nim takiego niezwykłego? Zapraszam do dalszej części artykułu! Sztuka pozyskiwania energii Pierwiastek lit odkryty został już w 1817r.. To oznacza, że musiało minąć niemal 150 lat, nim w ogóle zaczęto brać go pod uwagę w roli składnika akumulatorów. Dlaczego trwało to tak długo? Z bardzo prostego powodu – lit to dość problematyczny i trudny do okiełznania pierwiastek. Aby dokładnie zrozumieć jego wady i zalety musimy zacząć od absolutnych podstaw. Zasadniczo wszystkie akumulatory (jak i zwykłe baterie) to pojemniki wypakowane związkami chemicznymi – związkami, które reagując ze sobą potrafią produkować prąd. I to właśnie ten prąd jest tutaj kluczem, bowiem to on niesie ze sobą życiodajną energię elektryczną, bez której żadne urządzenie elektryczne nie może działać. Ale w jaki sposób prąd elektryczny transportuje energię do naszego smartfona? To proste. Prąd to nic innego jak strumień pędzących przed siebie elektronów. No może z tym ,,pędzących” nieco przesadzam, bo elektrony są tak naprawdę potwornie powolne. Czasami jednak nie liczy się prędkość, a ilość i pod tym względem, w trakcie każdej sekundy, przez nasze smartfony przesączają się tryliony tych ,,małych kuleczek”. Każdy kto zgłębiał fizykę kwantową wie, że myślenie o elektronach jak o ,,małych kuleczkach” to zabawa dobra dla przedszkolaków. Ale czy to źle? Elektrony są tak małe, że nawet z pomocą najlepszych mikroskopów i tak nie jesteśmy w stanie ich dostrzec. Kto wie, może tak naprawdę mają one kształt kwadratów, trójkątów, albo żelkowych misiów Haribo? Zresztą kształt w kwestii transportu energii nie ma najmniejszego znaczenia. Tak naprawdę chodzi o sam ruch cząsteczek i idące za nim konsekwencje. Biorąc do ręki kamień i rzucając go przed siebie nadajesz mu pewną prędkość. A jeśli weźmiemy pod uwagę również masę kamienia, to wówczas możemy mówić o czymś, co fizycy nazywają pędem. Im większa prędkość kamienia i im większa jego masa, tym większy jest jego pęd. Nie muszę chyba tłumaczyć jak spotkanie takiego pędzącego kamienia i dajmy na to okna twojego sąsiada może się zakończyć? Fizycy taką zdolność rozpędzonych przedmiotów do czynienia destrukcji nazywają przekazywaniem energii. Miło, prawda? Mechanicznie wygląda to tak: rzucając kamieniem zużywasz energię swoich mięśni. Im więcej jej zużyjesz, tym oczywiście bardziej się zmęczysz, ale też kamień nabierze większej prędkości i będzie miał więcej energii do zrobienia tego, po co go wysłałeś – prosta kalkulacja. A teraz najciekawsze – kiedy kamień trafia w swój ostateczny cel, czyli w naszym przykładzie okno sąsiada, to następuje kolejna wymiana energii. Kamień w wyniku uderzenia musi wyhamować, a więc traci energię. To ile jej utraci zależy od tego jak mocno wyhamuje. I tutaj do gry wkracza okno, które cały ten impet musi przyjąć na siebie. Jeśli energii nie było dużo (kamień był lekki i leciał wolno), to szyba zadrży złowieszczo (ale jakoś to wytrzyma), a kamień się odbije. Natomiast jeżeli tej energii będzie za dużo (ciężki kamień, diabelnie szybki), szyba odkształci się tak mocno, że zwyczajnie pęknie, a kamień, lekko tylko spowolniony, poleci sobie dalej. Przykład może i drastyczny, ale doskonale obrazuje to, co dzieje się z elektronami. Jeżeli tylko uda nam się je rozpędzić i skierować do naszego smartfona, wówczas zaczną one trzeć i rozbijać się o zamkniętą w nim elektronikę, przekazując mu w ten sposób energię. Jeżeli wpuścimy tej energii zbyt dużo, to ta delikatna elektronika rozleci się na kawałki tak samo jak szyba. Na szczęście o odpowiednie dawki energii martwi się już sam telefon, więc nie będziemy się tym faktem teraz zajmować. Wiesz już, że prąd, a więc strumień rozpędzonych elektronów może nieść ze sobą energię. Nie przez przypadek elektryczność oparta jest na elektronach – to właśnie te cząstki, a nie na przykład protony, czy neutrony jest najłatwiej zmusić do ruchu. Ale jak? To również jest bardzo proste. Wystarczy zebrać ich ogromną ilość w jednym miejscu i je tam zamknąć. I to tyle? Owszem, bo nie wiem czy wiesz, ale z elektronami jest podobnie jak z ludźmi. Zamknij większa grupę w małym pomieszczeniu, a bardzo szybko zauważysz jak zaczną się wiercić, rozpychać i walić w drzwi, byś ich wypuścił. Elektrony również nie lubią swojego towarzystwa i najchętniej trzymają się z dala od siebie. Tak wyglądają elektrony zamknięte w kuli. Starają się uciec jak najdalej od siebie. Nie ma to oczywiście nic wspólnego z uczuciami. Po prostu elektrony obdarzone są tak zwanym ,,ładunkiem ujemnym”, a fizyka mówi nam, że cząstki o tym samym ładunku zawsze będą się wzajemnie odpychać. Więcej szczegółów na ten temat możesz w wolnej chwili przeczytać tutaj: Czym jest ładunek elektryczny? – artykuł na Elektrony chcą uciec od siebie, ale zamknięte w takim akumulatorze, czy baterii nie za bardzo mają dokąd. Rozwiązanie pojawia się, gdy akumulator taki włożymy do telefonu. Obwody naszego smartfona stają się wówczas jedyną drogą ucieczki, choć oczywiście istnieje pewien haczyk. Droga ta jest bowiem prawdziwym torem przeszkód usianym kondensatorami, rezystorami, tranzystorami i innymi ,,-torami”. Na szczęście dla nas te biedne, bogu ducha winne elektrony wolą trochę się przemęczyć i poobijać, niż spędzić ze sobą choćby kolejną sekundę w zamknięciu. Tym oto sposobem nasz telefon zdobywa energię, a elektrony płyną sobie przed siebie do… No właśnie, gdzie? By osiągnąć wieczny spokój? Niestety podstawową funkcją akumulatorów jest możliwość ich ponownego naładowania i wykorzystania. Z tego też powodu nie możemy ot tak wypuścić na wolność opuszczających nasz telefon elektronów. Zamiast tego musimy je zmagazynować, na przykład po drugiej stronie akumulatora, gdzie będą grzecznie czekały na transport z powrotem, by cały horror… to znaczy proces rozpoczął się od początku. Łatwiej powiedzieć, niż zrobić Z opisu wszystko wydaje się proste – elektrony płyną obwodami naszego telefonu w jedną stronę, a potem ładując akumulator przenosimy je z powrotem i cykl możemy zacząć od nowa. Niestety rzeczywiste wykonanie takiego mechanizmu to zupełnie inna bajka. Dlaczego? Wcześniej wspomniałem choćby o tym, że elektrony są tak małe, iż nawet nie wiemy jak wyglądają. Tym bardziej trudno byłoby nam złapać je w siatkę i ot tak zamknąć po jednej stronie akumulatora. Potem musielibyśmy jeszcze liczyć na to, że spokojnie popłyną na jego drugą stronę i tam ponownie dadzą się zamknąć. Nierealne. Jak to się w takim razie robi? Na czym polega sztuczka? Zacznijmy może od przypomnienia czegoś, co napisałem kilka akapitów wcześniej: Baterie i akumulatory wypełnione są związkami chemicznymi, które reagując ze sobą potrafią produkować prąd. Zamiast głowić się nad tym skąd wziąć pojedyncze elektrony, możemy wykorzystać fakt, że ich najlepszym źródłem są atomy – w końcu elektrony latają wokół ich jąder całymi chmarami. Ponadto same atomy bardzo często zbijają się w większe skupiska zwane molekułami, albo tworzą szereg jeszcze większych związków chemicznych. Te jesteśmy w stanie nie tylko bez trudu dostrzec, ale i zamknąć gdzie chcemy i w jakiej ilości chcemy. Oczywiście na koniec pozostaje jeszcze kwestia przekonania atomów do tego, by oddały nam swoje elektrony, a to nie zawsze jest takie łatwe… Na szczęście wybór jeśli chodzi o dawców mamy spory, bowiem przebierać możemy wśród 118 różnych pierwiastków. Warto wiedzieć, że każdy z nich ma swój indywidualny numer zwany liczbą atomową, która to wprost określa ile elektronów wiruje wokół jądra danego pierwiastka. Wszystko to niezwykle przejrzyście widać na tablicy Mendelejewa. Wybór nie jest rzecz jasna zupełnie dowolny – niektóre z pierwiastków są bardziej podatne na współpracę, inne mniej. Są też takie, których nie ma nawet sensu przekonywać – tych maruderów zaznaczyłem na biało. Dlaczego nie ma to sensu? Większość z nich to po prostu pierwiastki radioaktywne, a takich atrakcji w domowych akumulatorach raczej nie chcemy. Z kolei biała kolumna widoczna po prawej stronie tablicy (poczynając od helu) to tak zwane gazy szlachetne. Nazwano je tak dlatego, że są zbyt szlachetne, by oddać swoje elektrony na poczet zasilania jakiejś prostackiej elektroniki. Tak przynajmniej słyszałem… Wykluczając te ,,białe plamy” pozostaje nam 76 pierwiastków, które w naturze mieszają się i łączą co potencjalnie daje tysiące przeróżnych związków chemicznych. Związków, które mogą dać nam to, czego potrzebujemy. A czego potrzebujemy? Tak jak mówiłem – po jednej stronie akumulatora muszą znaleźć się związki chemiczne, które reagując ze sobą chętnie oddadzą elektrony, a po drugiej takie, które te elektrony przyciągną do siebie i przechowają do czasu ponownego naładowania. W 1800 roku niejaki Alessandro Volta odkrył pierwszą taką parę reakcji. Okazało się, że jeśli rozpuścimy cynk (Zn) w odpowiednim roztworze, to bez problemu odda nam on 2 elektrony. Z drugiej strony miedź (Cu) nie za bardzo lubi takie rozpuszczanie i z nieukrywaną radością zapewni schronienie dwóm elektronom, dzięki którym będzie w stanie się z takiego roztworu wydostać (fachowo mówimy wytrącić). I o ile taka uczciwa, jednostronna wymiana elektronów między cynkiem i miedzią stała się podstawą pierwszej w historii baterii, to niestety proces ten jest nieodwracalny. Oznacza to, że w trakcie tejże wymiany, w strukturze związków zachodzą pewne trwałe zmiany i nie możemy takiej baterii ot tak podłączyć do ładowarki i przetransportować elektronów z powrotem. Tak przynajmniej było 200 lat temu, bowiem dzisiejsza znajomość chemii i technologii pozwala stworzyć baterie oparte na cynku i miedzi, które można powtórnie naładować. To już jednak zupełnie inna historia. Pierwszą w pełni odwracalną parą reakcji była ta odkryta przez wspomnianego Gastona Planté, ochrzczona mianem akumulatora kwasowo-ołowiowego. Ołów zamknięty z jednej strony akumulatora reaguje z roztworem kwasu siarkowego, oddając po drodze 2 elektrony. Po drugiej stronie zamknięty jest tlenek ołowiu. Ołów bardzo chce oderwać się od tlenu, a do tego potrzebuje… zgadłeś, dokładnie dwóch zbłąkanych elektronów. Jak wspomniałem obie reakcje są w pełni odwracalne. To znaczy, że możemy podłączyć taki akumulator do ładowarki i ona, za pomocą energii pobieranej z gniazdka, siłą wyrwie przesłane elektrony z drugiego końca (ołów na powrót połączy się z tlenem) i przetransportuje je z powrotem na początek, wpychając je do atomu ołowiu (który wcześniej je porzucił). Zauważ, że w przypadku historii cynku i miedzi oraz ołowiu i jego tlenku piszę jedynie o dwóch przekazywanych elektronach. Ale dlaczego tylko dwóch? Miedź (Cu) i cynk (Zn) mają kolejno 29 i 30 elektronów, a ołów ma ich aż 82! Odbieranie mu tylko dwóch elektronów, skoro ma ich aż tyle wydaje się marnotrawstwem potencjału. W końcu im więcej elektronów zabierzemy, tym więcej energii mamy do wykorzystania, prawda? Jasne, ale wyciągnięcie elektronu z orbity też kosztuje. Pamiętasz o sile i energii naszych mięśni zdolnej rzucić kamieniem? Elektron również nie pomknie przed siebie ot tak, bo potrzebuje do tego energii. Energii, której źródłem są reakcje chemiczne. Prawdziwy problem tego mechanizmu odkryjemy, kiedy spojrzymy w tabelę energii potrzebnej do jonizacji pierwiastków (jonizacji, czyli właśnie odebrania bądź dołożenia im elektronów). Pokaże nam ona, że wyrwanie pierwiastkowi każdego kolejnego elektronu wymaga średnio dwa razy więcej energii niż poprzedniego. W rezultacie jesteśmy w stanie zmusić większość atomów do oddania jednego elektronu – łatwizna. Odebranie drugiego wymaga już dwa razy więcej energii, ale zwykle nie jest to aż tak duża wartość – da się zrobić. Trzeci elektron to już 4 razy więcej energii niż na początku. Niewiele znanych nam reakcji, które możemy bezpiecznie zamknąć w akumulatorze to potrafi. Cztery i więcej elektronów to już temat poza naszym zasięgiem. No chyba, że zamontujemy w akumulatorze mikroskopijne działo laserowe zdolne wybijać z atomów dowolną ilość elektronów… Tak, w takim wypadku nie byłoby problemu. Wspomniane elektronowe ograniczenie całkowicie zmienia zasady gry. W tym momencie nie zależy nam na zastosowaniu pierwiastków o dużej ilości elektronów, bo i tak wyciągniemy z nich dwie, góra trzy sztuki. Jest to o tyle istotne, że im więcej elektronów ma pierwiastek, tym automatycznie więcej protonów i neutronów znajduje się w jego jądrze i przez to cały atom staje się cięższy. Czy jest w takim razie sens pakować do akumulatora duże i ciężkie atomy ołowiu (82 elektrony), skoro równie dobrze 2 elektrony możemy wyciągnąć ze znacznie lżejszych pierwiastków? Między innymi ten właśnie czynnik sprawia, że akumulatory oparte o nikiel (Ni-Fe, Ni-Cd, NiMh) są w stanie wygenerować od 2 do 4 razy więcej energii z każdego kilograma akumulatora, niż ich ołowiowi kuzyni wagi ciężkiej. I choć nikiel nie jest specjalnie mniejszy od atomu ołowiu, to związki chemiczne jakie wykorzystuje w swoich reakcjach można z łatwością sprasować, zwinąć w rulonik i zamknąć w małej, cylindrycznej obudowie. Akumulatory kwasowe i zachodzące w nich reakcje wymagają znacznie więcej przestrzeni. Skoro ołów jest tak nieporęczny, to dlaczego oparte o niego akumulatory wciąż zasilają rozruszniki w naszych autach? Z racji tego, że w samochodach mamy sporo miejsca, a przy dwóch tonach stali na kółkach akumulator ważący kilka kilogramów nie robi różnicy, to na korzyść kwasówek przeważają trzy rzeczy: Po pierwsze do dziś pozostają one najtańszym rodzajem akumulatorów. Ołów nie jest może tak powszechny w skorupie ziemskiej jak nikiel, ale za to jego pozyskanie jest dość tanie, tak jak zresztą potrzebnego do reakcji kwasu siarkowego. Oprócz tego cały akumulator jest na tyle prosty w budowie, że teoretycznie sam mógłbyś zrobić sobie taki w sprawa to całkiem niezłe napięcie generowane przez taki akumulator. Bo widzisz w chemii baterii, oprócz ilości oddanych elektronów, istotne jest to jak bardzo dany związek chce się ich pozbyć, lub je przyjąć. Im bardziej, tym z większą prędkością elektrony są wyrzucane z jednej i zasysane z drugiej strony ogniwa. Większa prędkość to, tak jak w przypadku kamienia, więcej energii, którą elektrony zostawią, obijając się o elektronikę naszych urządzeń. Zamknięta w akumulatorach kwasowo-ołowiowych chemia generuje napięcie rzędu 2 V, co nie jest takim złym wynikiem w porównaniu do 1,2 V w Ni-Cd i NiMh. Oczywiście akumulatory w naszych samochodach mają aż 12 V, ale to wynika jedynie z połączenia w jego wnętrzu 6 mniejszych akumulatorów i ostatnia sprawa to moc. Każda reakcja chemiczna zachodzi z określoną prędkością, a ta związana z ołowiem i kwasem siarkowym zachodzi niezwykle szybko. W połączeniu z dość wysokim napięciem ogniwa, pozwala to wytworzyć w ułamku sekundy ogromną moc potrzebną do wystartowania rozruszników samochodowych (prąd płynący z akumulatora osiąga wartość rzędu kilkuset amperów). Komponenty Ni-Cd oraz NiMh nie potrafią przewodzić tak ogromnego prądu, a ich zwarta konstrukcja sprawia, że są one znacznie bardziej wrażliwe na rosnącą przy okazji takiego prądu temperaturę. Ich przewagą nad ołowiem jest z kolei znacznie większa ilość zmagazynowanej energii, która, jeśli tylko nie potrzebujemy jej szybko wyciągnąć, może nam posłużyć znacznie, ale to znacznie dłużej. Telefony komórkowe i inna przenośna elektronika to zupełnie inny temat niż rozrusznik samochodu. W tym wypadku niewielki rozmiar i waga to klucz do sukcesu. Chcemy aby nasz telefon miał duży ekran i był szybki, a do tego zamknięty był w małej i cieniutkiej obudowie. Badacze doskonale rozumieli kierunek w jakim idzie przemysł urządzeń przenośnych, dlatego też za cel obrali sobie stworzenie najlżejszych na świecie i najpojemniejszych akumulatorów w historii. Aby to zrobić, musieli spróbować okiełznać jeden z najlżejszych dostępnych nam pierwiastków… W tym momencie na scenę (cały na biało) wkracza lit (Li). Na tablicy Mendelejewa oznaczony jest dumnym numerem 3, a to sprawia, że jest on jednym z najlżejszych znanych nam pierwiastków – pod tym względem przegrywa jedynie z wodorem i helem. W licie ciekawe jest również to, że będąc pierwiastkiem lżejszym od takiego tlenu czy azotu, w przeciwieństwie do nich jest ciałem stałym. Dzięki temu jego atomy są ciasno upakowane, a taki zwarty materiał znacznie łatwiej jest obrobić i zamknąć w niewielkim akumulatorze. Jasne, gazy można przecież potraktować wysokim ciśnieniem i skompresować, ale skoro mamy super-lekki lit, to po co kombinować? Lit (nie jako atom, a jako kawałek materii) waży mniej więcej tyle co drewno sosnowe. Jego gęstość to jakieś 0,51 g/cm3, a to oznacza, że jest on niemal dwukrotnie lżejszy od wody, jakieś 16 razy lżejszy od niklu i 20 razy lżejszy od ołowiu. Idealny przepis na super-lekkie baterie! Z drugiej jednak strony waga piórkowa kompletnie nie przekłada się na rozmiar atomu. Choć lit ma tylko po trzy protony, neutrony i elektrony, to w rzeczywistości ponad połowa tablicy Mendelejewa jest od niego mniejsza! W tym ołów, który przypomnę ma aż po 82 sztuki protonów, neutronów i elektronów. Względny rozmiar atomów; źródło danych: To, że atom zbudowany z 20 razy większej liczby cząsteczek, będący 20 razy cięższy może być jednocześnie mniejszy, to dość skomplikowana do wyjaśnienia kwestia. Orbity wokół atomów potrafią być naprawdę pokręcone, jądro atomowe przyciąga elektrony z różną siłą, a te oddziałują również ze sobą nawzajem. Ostateczny wynik jest taki, że choć lit jest najlżejszy i oparte o niego akumulatory również takie będą, to rozmiar jego atomów wcale nie sprawia, że możemy zamknąć tego litu w małej baterii nie wiadomo ile. Patrząc z perspektywy atomowej to zajmuje on praktycznie tyle samo miejsca co ołów. A może akumulatory litowe nie są wcale tak fantastyczne jak wszyscy nam mówią? Bez obaw – są świetne. Cała tajemnica baterii litowo-jonowych tkwi tak naprawdę w określeniu „jonowy”. Jonizowanie to, jak już wspomniałem, ładne określenie na odbieranie bądź dokładanie atomom elektronów. Kiedy pierwiastek odda elektron lub jakiś przyjmie, wówczas nazywamy go jonem. Lit w standardzie ma 3 elektrony. Dwa z nich znajdują się na tyle blisko jądra atomowego i są przez nie tak mocno przyciągane, że możemy o nich zapomnieć. Za to do opisania trzeciego elektronu najlepiej pasuje określenie ,,kula u nogi”. Wiem, brzmi zabawnie, ale w tym wypadku nie przesadzam. Lit chce się tego trzeciego elektronu pozbyć tak bardzo, że wchodzi w reakcję z niemal wszystkim co spotka na swojej drodze – nawet z wodą, czy powietrzem! Myślisz pewnie: „Co z tego, to tylko jeden elektron. Słabo!”. Nie daj się jednak zmylić pozorom – lit tak bardzo chce zostać jonem, że w trakcie oddawania tego jednego elektronu generuje napięcie rzędu 3,2 – 3,8 V! To sprawia, że każdy jeden uwolniony przez lit elektron niesie ze sobą 3 razy więcej energii niż ten z akumulatorów niklowych i dwa razy więcej niż ten z kwasówek. No tak, ale ołów daje przecież dwa elektrony, więc gdzie ta przewaga litu? Już tłumaczę. Każdy akumulator do oddania i przyjmowania elektronów wykorzystuje reakcje chemiczne – są one jedynym możliwym źródłem potrzebnej do tego energii. Naukowcy, którzy otrzymali Nobla za opracowanie litowych akumulatorów tak naprawdę dostali go za to, że… poniekąd oszukali lit. Wiedzieli oni, że zmuszenie tego pierwiastka do oddania elektronu to nie sztuka – jednorazowe baterie litowe istniały od lat. Problemem było znalezienie takiej reakcji, poprzez którą po drugiej stronie akumulatora lit chętnie przyjmie odrzucony elektron z powrotem. Oczywiście kilka takich reakcji udało się znaleźć, ale wszystkie one miały swoje ograniczenia i istotne wady, całkowicie niweczące potencjał litu. Wtedy nagle, w latach 70tych ktoś wpadł na pomysł, że żadna reakcja nie musi tak naprawdę zachodzić, dopóki lit nie będzie o tym wiedział. Oszustwo godne Nobla Atom litu z trzema elektronami na pokładzie jest dość duży. Kiedy jednak odda swój elektron i stanie się jonem, wówczas jego średnica zmniejsza się praktycznie dwukrotnie. Jest on wówczas o ponad 20% mniejszy od ołowiu, który już oddał dwa elektrony! Przyznasz, że to dość spora różnica. Do tego naukowcy odkryli strukturę zwaną tlenkiem kobaltu. Okazało się, że jon litu ma akurat taką wielkość, że idealnie wpasowuje się w wąskie szczeliny między warstwami tego związku. Dodatkowo kobalt nie jest zbyt wybrednym pierwiastkiem i potrafi zaopiekować się dodatkowym elektronem, jaki przy okazji oddaje mu lit. Ostatecznie taki tlenek kobaltu z powtykanym tu i ówdzie litem nazywamy tlenkiem kobaltu litu (LiCoO2) i jest to podstawowy związek wykorzystywany w akumulatorach litowo-jonowych. A i przy okazji mogę dodać, że taki proces wciskania atomów w strukturę jakiegoś związku nazywa się interkalacją. Lit czuje się w takim układzie częścią związku, choć nie tworzy z nim pełnoprawnego wiązania. Kobaltowi jest właściwie wszystko jedno, więc możemy uznać, że wszyscy są zadowoleni. Tam jednak gdzie wszyscy są szczęśliwi nie ma żadnej energii elektrycznej do wykorzystania. My musimy sprawić, by litowi było niewygodnie, by chciał zmienić stan, w jakim się znalazł. W tym celu podłączamy taki tlenek kobaltu litu do ładowarki i zaczynamy wysysać elektrony. Akcja ta na kobalcie nie robi żadnego wrażenia – jest on metalem podobnym do miedzi i żelaza, czyli przewodnikiem, który nie do końca dba o to, czy zwiniemy mu jakiś elektron. A już z pewnością nie będzie mu szkoda tego, który przed chwilą otrzymał od litu. Niestety sytuacja ta stawia jon litu w bardzo trudnym położeniu. Wcześniej oddał on ujemnie naładowany elektron, przez co sam stał się nieco dodatnio naładowany. Teraz elektron ten wypompowaliśmy na zewnątrz, przez co cała struktura tlenku kobaltu stała się delikatnie dodatnia. Fizyka jest w tej kwestii nieubłagana – dodatni tlenek kobaltu zacznie odpychać dodatni jon litu. Pamiętasz jak wspominałem o tym na początku artykułu? Takie same ładunki, czy to dodatnie, czy ujemne będą się zawsze odpychać. Tlen i kobalt trzymają się siebie mocno – to dość zwarta struktura pełniąca rolę swego rodzaju rusztowania. Jony litu, które powciskały się gdzie mogły, ale do niczego się tak naprawdę porządnie nie przyczepiły, zostają wypchnięte ze struktury. Lit nie ma się dokąd udać – z elektronem było mu źle, ale bez niego i na dodatek bez innych atomów, do których może się przykleić jest jeszcze gorzej. Nie wiedząc co zrobić odwraca się i oto widzi światełko w tunelu. Tam, po drugiej stronie akumulatora roztacza się niebieskawy blask i przyciąga go jakaś tajemnicza siła. Jak gdyby tam było jego miejsce… Lit przemierza wnętrze akumulatora, przeciskając się przez nasączony elektrolitem separator, który dzieli akumulator na dwie części. Za nim widzi kolejny układ warstw, tym razem upiornie czarny. Nim zdąży wyhamować, ciągnięty tajemniczą siła wpada między warstwy ciemnej, grafitowej struktury i grzęźnie tam, nie mając siły się wyrwać. Spogląda w głąb i widzi, że w tej samej strukturze uwięzione są znajome elektrony… Tak, to dokładnie te same elektrony, które on i inne jony litu przed chwilą oddały kobaltowi. Lit orientuje się, że tajemnicza, przyciągająca siła i niebieskawy blask pochodziły właśnie od nich – morza ujemnie naładowanych elektronów, do których dodatnio naładowany jon litu czuje naturalny pociąg. Uwięziony lit nie jest jednak z tego faktu zadowolony. Nie chce na powrót łączyć się z elektronami. Niestety z jednej strony cała ich chmara wciąga go w głąb grafitowej struktury, z drugiej zaś wciąż odczuwa odpychające echo kobaltu. W ten oto sposób lit wpada w pułapkę. W wymyślone przez genialnych konstruktorów oszustwo, pozwalające utrzymać go w niewygodnym położeniu. Lit grzęźnie wewnątrz tego grafitowego labiryntu i to bez pomocy jakiejkolwiek reakcji chemicznej. Oczywiście nie spędzi on tam wieczności. Musi jedynie wytrzymać do momentu, w którym do akumulatora podłączymy jakiś odbiornik. Wpinając akumulator do np. telefonu, elektrony zyskują drogę ucieczki – grafit nie jest dla nich tak gościnny jak kobalt, stąd czują się w jego strukturze jak sardynki zamknięte w puszce. Słysząc ciche, niosące się przewodami nawoływanie kobaltu, elektrony postanawiają wykorzystać okazję. Te lekkie i zwinne cząstki bez problemu uciekają z grafitowej pułapki. Po drodze zostawiają w telefonie standardową „opłatę” energetyczną i ponownie powracają do struktury tlenku kobaltu, któremu jak wiemy i tak jest wszystko jedno… Obojętny za to nie jest na pewno lit. Dzięki temu, że elektrony powoli znikają, maleje też siła trzymająca go między warstwami grafitu. Z drugiej strony kobalt karmiony elektronami również zapomina o wystosowanym wcześniej akcie nienawiści (to znaczy przestaje on być naładowany dodatnio i odpychać lit). Lepszej okazji nie będzie – jony litu opuszczają grafit i przedzierają się z powrotem przez separator, docierając wreszcie do przytulnych warstw kobaltu, wyłożonych mięciutką połacią tlenu. W ten oto sposób zakończył się cykl ładowania i rozładowania akumulatora, w trakcie którego jony litu przemierzyły jego wnętrze raz w jedną, raz w drugą stronę. Mechanizm ten nie bez powodu określa się mianem ,,bujanego fotela” (ang. rocking chair). Geniusz i prostota jakie stoją za tym pomysłem przyczyniły się do największej obok Internetu rewolucji XXI wieku – powstania akumulatora litowo-jonowego. Uproszczona animacja akumulatora litowo-jonowego Cena geniuszu Ogniwa litowo-jonowe to najwydajniejsze i najpotężniejsze akumulatory jakie do tej pory pojawiły się na rynku. Niestety jakość, jak to zwykle bywa, niesie ze sobą wysoką cenę. Skąd się ona bierze? Zacznijmy może od tego, że chęć litu do reagowania wszędzie i ze wszystkim sprawia, że jest on dość problematyczny w przechowywaniu i obróbce. Z tego samego powodu nie znajdziemy na naszej planecie litu w czystej postaci. Najczęściej odzyskuje się go ze związków chemicznych, takich jak chlorek litu (LiCl), wodorotlenek litu (LiOH) i węglan litu (Li2CO3). Nie jest to proces ani łatwy, ani wydajny. Do uzyskania kilograma czystego litu potrzeba aż 5,3 kg węglanu litu. Największe złoża tego surowca znajdują się w Boliwii (około 32% światowych zasobów), a do największych producentów czystego litu należą Chile, Chiny i Argentyna, produkując około kilogram litu w ciągu każdej sekundy jaką spędzasz na czytaniu tego artykułu. Do tego wyprodukowanie akumulatora z pierwiastka, który ma tak ogromną energię i tylko czyha na okazję, by z czymś przereagować wymaga zastosowania całej masy zabezpieczeń. Akumulatory Li-Ion nie lubią przegrzewania, przeładowania i nadmiernego rozładowania. Stąd naszpikowane są elektroniką trzymającą w ryzach parametry akumulatora. To jednak nie zawsze zdaje egzamin, bo wystarczy najmniejsze zanieczyszczenie litu lub błąd w trakcie produkcji, by wszystko zakończyło się efektownym pożarem. Słyszałeś może o aferze z wybuchającymi bateriami w Samsungach Galaxy Note 7? Swego czasu zabronione było wnoszenie tego smartfona na pokład samolotu, a firma Samsung rozsyłała klientom specjalnie zabezpieczone opakowania przeznaczone do zwrotu tego niebezpiecznego telefonu. Myślę jednak, że nie będziemy teraz wnikać w co bardziej szczegółowe aspekty techniczne akumulatorów Li-Ion. Te wolałbym poruszyć w osobnym, przeznaczonym do tego artykule. Mam nadzieję, że dzisiejsza podróż uświadomiła Ci jak te akumulatory działają i jakim wyzwaniem były dla uczonych pod koniec XX wieku. Następnym razem porozmawiamy o podtypach baterii Li-Ion, ich zastosowaniu, a także ogólnych wadach i zaletach. Czym różni się akumulator w smartfonie od tego w samochodzie elektrycznym? Czym tak naprawdę są następcy Li-Ionów, czyli baterie litowo-polimerowe? Czy baterie z wody morskiej mają szansę za chwilę zdetronizować ,,litówki”? Jeśli nie chcesz przegapić żadnego nadchodzącego artykułu, to zapisz się poniżej na newsletter lub polub moją moją stronę na facebooku. Do usłyszenia! Dzięki za poświęcony czas! Bibliografia Lithium Batteries Science and Technology – C. Julien, A. Mauger, A. Vijh, K. Zaghib, Handbook of Batteries Third Edition – D. Linden, T. Reddy, Akira Yoshino – Lithium-ion battery and its evolution – dokument dostępny pod adresem: Lithium Use in Batteries – T. Goonan, Department of the Interior, Geological Survey. – model 3D struktury tlenku kobaltu litu. How Does a Lithium-ion Battery Work? – Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, adres: Podobało się? Zajrzyj na i wspieraj moją dalszą pracę! A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę? Powiadomić Cię o nowych artykułach? Polecam zapisanie się na newsletter lub zajrzenie na facebook’a. W ten sposób nie przegapisz żadnego nowego tekstu! Cechą wspólną tych urządzeń jest wysoki prąd rozruchowy – od 150 do 950 A. W środku są albo ogniwa litowo-jonowe, albo (lepiej) litowo-polimerowe. Choć pojemność ogniw jest w sumie niewielka, niższa niż w typowym samochodowym akumulatorze rozruchowym, to jednak decydująca jest zdolność urządzenia do szybkiego oddawania prądu. W miarę jak ciche obroty pojazdów elektrycznych stopniowo zastępują warkot i szkodliwe dymy silników spalinowych, zachodzą liczne zmiany. Charakterystyczny zapach stacji benzynowych zniknie na rzecz bezwonnych stacji ładowania, gdzie samochody mogą doładować swoje baterie. W międzyczasie generatory gazowe mogą zostać zmodernizowane, by pomieścić akumulatory, które pewnego dnia będą mogły zasilać całe miasta energią odnawialną – pisze Allison Hirschlag dla BBC Future. Ta zelektryfikowana przyszłość jest znacznie bliżej niż mogłoby się wydawać. General Motors ogłosił na początku tego roku, że planuje zaprzestać sprzedaży pojazdów napędzanych gazem do 2035 roku. Celem Audi jest zaprzestanie ich produkcji do roku 2033, a wiele innych dużych firm samochodowych idzie w jego ślady. W rzeczywistości, według BloombergNEF, dwie trzecie światowej sprzedaży pojazdów osobowych będzie miało napęd elektryczny do 2040 roku. Systemy sieciowe na całym świecie szybko się rozwijają dzięki postępowi w technologii magazynowania energii w akumulatorach. Choć może się to wydawać idealnym rozwiązaniem, jest jeden duży problem. Obecnie baterie litowo-jonowe (Li-ion) są typowymi bateriami stosowanymi w pojazdach elektrycznych i mega-akumulatorach używanych do przechowywania energii ze źródeł odnawialnych, a baterie te są trudne do recyklingu. Co z recyklingiem baterii litowo-jonowych? Wraz z rosnącym popytem na pojazdy elektryczne, recykling baterii Li-ion stanie się wyzwaniem dla przemysłu akumulatorowego i motoryzacyjnego. Najpowszechniej stosowane metody recyklingu bardziej tradycyjnych akumulatorów (np. akumulatory kwasowo-ołowiowe) nie sprawdzają się w przypadku akumulatorów Li-ion. Te ostatnie są zazwyczaj większe, cięższe, dużo bardziej skomplikowane, a nawet niebezpieczne, jeśli zostaną źle rozebrane. Zazwyczaj części akumulatorów są rozdrabniane na proszek, a następnie proszek ten jest topiony lub rozpuszczany w kwasie. Ale baterie litowo-jonowe składają się z wielu różnych części, które mogą eksplodować, jeśli nie zostaną ostrożnie rozmontowane. A nawet jeśli zostaną rozłożone, produkty nie są łatwe do ponownego wykorzystania. Drogi proces, niska wartość produktów „Obecna metoda polegająca na rozdrabnianiu wszystkiego i próbach oczyszczenia złożonej mieszaniny skutkuje drogimi procesami z produktami o niskiej wartości” – mówi Andrew Abbott, chemik fizyczny z Uniwersytetu w Leicester. W rezultacie recykling kosztuje więcej niż wydobycie litu w celu wyprodukowania nowych. Ponadto, ponieważ tanie sposoby recyklingu baterii litowych na dużą skalę są opóźnione, tylko około 5 proc. baterii litowych jest poddawanych recyklingowi na całym świecie – większość z nich po prostu się marnuje. Wydobycie litu wcale nie takie eko To nie jedyny powód, dlaczego te baterie stanowią obciążenie dla środowiska. Wydobycie różnych metali potrzebnych do produkcji baterii Li-ion wymaga ogromnych zasobów. Do wydobycia jednej tony litu potrzeba ponad 2 mln litrów wody. W Chile, na solnisku Salar de Atacama, wydobycie litu zostało powiązane z zanikiem roślinności, wyższymi temperaturami w ciągu dnia i rosnącymi warunkami suszy na obszarach rezerwatów narodowych. Choć pojazdy elektryczne mogą przyczynić się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla w całym okresie ich użytkowania, zasilające je akumulatory rozpoczynają swoje życie z dużym śladem ekologicznym. Jeśli jednak miliony baterii Li-ion, które rozładują się po około 10 latach użytkowania, zostaną poddane bardziej efektywnemu recyklingowi, pomoże to zneutralizować cały ten wydatek. Kilka laboratoriów pracuje nad udoskonaleniem bardziej efektywnych metod recyklingu, tak aby w końcu standardowy, przyjazny dla środowiska sposób recyklingu baterii litowo-jonowych był gotowy do zaspokojenia gwałtownie rosnącego popytu. Nie możemy dłużej traktować akumulatorów jako jednorazowego użytku. Jak utylizować baterie Li-ion? Ogniwo baterii Li-ion ma metalową katodę, czyli dodatnią elektrodę, która zbiera elektrony podczas reakcji elektrochemicznej, wykonaną z litu i mieszanki pierwiastków, do których zazwyczaj należą kobalt, nikiel, mangan i żelazo. Posiada również anodę, czyli elektrodę, która uwalnia elektrony do obwodu zewnętrznego, wykonaną z grafitu, separator oraz pewnego rodzaju elektrolit, który jest medium transportującym elektrony pomiędzy katodą a anodą. Jony litu przemieszczające się od anody do katody tworzą prąd elektryczny. Metale w katodzie są najcenniejszymi częściami baterii i to na nich chemicy skupiają się podczas demontażu baterii Li-ion, aby je zachować i odnowić. Usprawnienie recyklingu akumulatorów Li, a w konsekwencji umożliwienie ponownego wykorzystania ich części, przywróci wartość już dostępnym akumulatorom. Dlatego właśnie naukowcy popierają proces bezpośredniego recyklingu – może on dać drugie życie najcenniejszym częściom baterii. Mogłoby to w znacznym stopniu zrównoważyć energię, odpady i koszty związane z ich produkcją. Jednak demontaż baterii Li-ion jest obecnie wykonywany głównie ręcznie w warunkach laboratoryjnych, co będzie musiało się zmienić, jeśli bezpośredni recykling ma konkurować z bardziej tradycyjnymi metodami recyklingu. „W przyszłości trzeba będzie wprowadzić więcej technologii do demontażu” – mówi Abbott. „Jeśli bateria jest montowana przy użyciu robotów, logiczne jest, że musi być demontowana w ten sam sposób” – dodaje. Zespół Abbotta z Faraday Institution w Wielkiej Brytanii prowadzi badania nad zrobotyzowanym demontażem baterii Li-ion w ramach projektu ReLib, który specjalizuje się w recyklingu i ponownym wykorzystaniu akumulatorów. Według badań zespołu, ultradźwiękowa metoda recyklingu może przetworzyć 100 razy więcej materiału w tym samym czasie niż bardziej tradycyjna metoda hydrometalurgii. Abbott twierdzi również, że można to zrobić za mniej niż połowę kosztów wytworzenia nowej baterii z pierwotnego materiału. Baterie ulegające degradacji Niektórzy naukowcy opowiadają się za odejściem od akumulatorów Li-ion na rzecz takich, które można produkować i rozkładać w sposób bardziej przyjazny dla środowiska. Jodie Lutkenhaus, profesor inżynierii chemicznej na Texas A&M University, pracuje nad akumulatorem wykonanym z substancji organicznych, które mogą ulegać degradacji na polecenie. Argumentuje, że nawet gdy bateria Li-ion zostanie rozebrana, a jej części zostaną odnowione, nadal pozostaną pewne części, których nie da się uratować i staną się odpadem. Akumulator degradowalny, taki jak ten, nad którym pracuje zespół Lutkenhaus, mógłby być bardziej zrównoważonym źródłem energii. Baterie organiczno-radiowe (ORB) istnieją od lat 2000 i funkcjonują dzięki materiałom organicznym, które są syntetyzowane w celu przechowywania i uwalniania elektronów. Zespół wykorzystuje kwas do rozkładu ORB na aminokwasy i inne produkty uboczne, jednak aby części uległy właściwemu rozkładowi, muszą panować odpowiednie warunki. „Odkryliśmy, że kwas w podwyższonej temperaturze działa” mówi Lutkenhause. Przed degradowalną baterią stoi jednak wiele wyzwań. Materiały potrzebne do jej stworzenia są drogie, a ponadto nie jest ona jeszcze w stanie zapewnić takiej ilości energii, jaka jest wymagana w zastosowaniach o dużym zapotrzebowaniu, takich jak pojazdy elektryczne i sieci energetyczne. Segregacja baterii Baterie Li-ion są wykorzystywane do zasilania wielu różnych urządzeń, od laptopów, przez samochody, po sieci energetyczne, a ich skład chemiczny różni się w zależności od celu, czasami znacząco. Powinno to znaleźć odzwierciedlenie w sposobie ich recyklingu. Naukowcy twierdzą, że zakłady recyklingu baterii muszą oddzielnie segregować baterie litowo-jonowe, podobnie jak sortuje się różne rodzaje plastiku podczas recyklingu, aby proces ten był najbardziej efektywny. Na rynek powoli, ale nieuchronnie wkraczają bardziej zrównoważone baterie. Producenci samochodów elektrycznych zaczęli również ponownie wykorzystywać swoje własne akumulatory na wiele różnych sposobów. Na przykład Nissan odnawia stare akumulatory do samochodów Leaf i umieszcza je w zautomatyzowanych pojazdach z napędem, które dostarczają części do jego fabryk. Przyszłe wyzwania Stale rosnące zapotrzebowanie rynku na pojazdy elektryczne sprawia, że firmy z całego przemysłu motoryzacyjnego wydają miliardy dolarów na zwiększenie trwałości akumulatorów Li-ion. Jednak Chiny są obecnie zdecydowanie największym producentem akumulatorów litowo-jonowych. Z kolei wykorzystanie technologii sztucznej inteligencji do odnawiania najbardziej użytecznych części mogłoby pomóc krajom o niewielkich dostawach komponentów do baterii Li-ion, aby nie musiały one tak bardzo polegać na Chinach. Opracowanie nowych baterii, które mogłyby konkurować z bateriami Li, również prawdopodobnie wstrząśnie branżą poprzez stworzenie zdrowej konkurencji. Pojawienie się mniej skomplikowanego, bezpieczniejszego akumulatora, który jest tańszy w produkcji i łatwiejszy do oddzielenia po zakończeniu eksploatacji, stanowi ostateczną odpowiedź na obecny problem zrównoważonego rozwoju pojazdów elektrycznych. Jednak do czasu pojawienia się takiej baterii, standaryzacja recyklingu baterii Li-ion jest znaczącym krokiem we właściwym kierunku – podsumowuje BBC Future.
Bezobsługowa eksploatacja. Baterie litowo-jonowe są bezobsługowe. W przeciwieństwie do baterii kwasowych nie wymagają uzupełniania poziomu elektrolitu, a poprzez możliwość ich doladowywania nie ma konieczności ich wymiany, co jest czynnością, do której realizacji potrzeba czasu i czynnika ludzkiego.
Ogniwa litowo-jonowe są obecnie najlepszym rozwiązaniem do zapewniania energii samochodom elektrycznym o średnim i dużym zasięgu. Producenci dążą do osiągnięcia jak największej gęstości ogniwa przy zachowaniu jak najwyższego poziomu bezpieczeństwa. W najbliższych latach rynek baterii litowo-jonowych będzie notował dalsze wzrosty, a zużycie ekwiwalentu węglanu litu wzrośnie ponadtrzykrotnie. Tymczasem wielkie koncerny samochodowe poszukują nowych rozwiązań pozwalających opracować wydajne i bardzo żywotne baterie. Toyota rozwija technologię baterii półprzewodnikowych. Z kolei rynek chiński przyszłość transportu widzi w ogniwach wodorowych. – Duże zainteresowanie ogniwami litowo-jonowymi wiąże się z tym, że mają one znacznie lepsze parametry niż dotychczasowe akumulatory na rynku. Mają np. trzykrotnie większą gęstość energii, gęstość mocy w stosunku do toksycznych ogniw niklowo-kadmowych, czy niklowo-wodorkowych. Duża gęstość mocy skumulowana na jednostkę masy i objętości to zasadnicze parametry, poza tym liczba cykli pracy jest również konkurencyjna w stosunku do akumulatorów niklowo-wodorkowych – mówi w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje profesor Janina Molenda, kierownik Katedry Energetyki Wodorowej AGH w Krakowie. Rynek baterii litowo-jonowych stale się rozwija. Producenci pojazdów elektrycznych, a zwłaszcza producenci samochodów, nieustannie dążą do tego, by baterie cechowały się wyższą gęstością energii, a także bezpieczeństwem stosowania, żywotnością i stabilnością. Wszystko po to, by samochody elektryczne były zdolne na jednym ładowaniu pokonać jak najwięcej kilometrów, a także by późniejsze doładowywanie baterii trwało jak najkrócej. Nowoczesne baterie muszą też dobrze radzić sobie z pokryciem dużo większego zapotrzebowania na energię przy ruszaniu z miejsca i przyspieszaniu pojazdu. Na razie najlepiej radzą sobie z tym wszystkim właśnie ogniwa litowo-jonowe. – Żywotność akumulatorów litowych do samochodów jest przewidziana na 10 lat, więc są to technologie, które bazują na materiałach bardziej stabilnych. Stabilność ogniwa litowego dla zastosowań długoletnich o większym czasie trwania wiąże się ze stabilnością poszczególnych komponentów w kontakcie z elektrolitem ciekłym. Ciągle w bateriach litowych używany jest z konieczności elektrolit ciekły, bo nie mamy elektrolitu stałego, który by odpowiednio przewodził w temperaturze pokojowej – tłumaczy ekspertka. Stały elektrolit w elektromobilności planuje wykorzystać Toyota. Japoński koncern w najbliższych latach postawi na wdrożenie baterii półprzewodnikowych. Te mają oferować większą gęstość energii niż baterie litowo-jonowe używane przez Teslę i innych konkurentów. Akumulatory tego typu wykorzystują stały elektrolit zamiast ciekłego elektrolitu stosowanego w akumulatorach litowo-jonowych. Prezentacja rozwiązania w autach Toyoty możliwa będzie najwcześniej w 2020 roku. Japoński producent swoją technologią planuje się podzielić ze swoimi partnerami, tzn. Mazdą, Suzuki i Subaru. Bateriami półprzewodnikowymi zainteresowane są także marki takie jak Volkswagen czy BMW. Z kolei Tesla, jeden ze światowych liderów elektromobilności, rozwijać będzie w najbliższych latach własne ogniwa litowo-jonowe. Na razie przedsiębiorstwo Elona Muska współpracuje na tym polu z japońskim koncernem Panasonic. Położenie nacisku na produkcję własnych baterii pozwoli amerykańskiemu gigantowi uniezależnić rozwój swoich technologii dla elektromobilności od tego partnera. W najbliższych latach dominującymi na rynku będą ogniwa litowo-jonowe o wyższej zawartości niklu – wynika ze spotkania naukowców podczas XI konferencji Lithium Supply&Markets, która odbyła się w połowie czerwca w chilijskim Santiago. Katody niklowo-kobaltowo-manganowe staną się bardziej popularne z uwagi na ich wyższą gęstość w porównaniu z katodami z żelazofosforanem litu. Te pierwsze nadają się szczególnie do zasilania w energię pojazdów o średnich (250–350 km) i wysokich (ponad 500 km) zasięgach, podczas gdy te drugie bardziej sprawdzają się w autobusach i małych samochodach stosowanych na dystansach do 100 km. Dzięki ogniwom litowo-jonowym możliwy jest jednak rozwój nie tylko elektromobilności. – W tej chwili zastosowanie ogniw litowych to nie tylko przenośna elektronika czy nawet samochody elektryczne lub hybrydowe, lecz także wielkie magazyny energii o pojemności nawet 100 megawatów. Takie instalacje powstają już na świecie – mówi prof. Janina Molenda. Chiny, będące największym na świecie rynkiem motoryzacyjnym, a także liderem sprzedaży tanich aut elektrycznych, przyszłość widzą w ogniwach wodorowych. Zgodnie z założeniami tamtejszego rządu, w ciągu najbliższej dekady po chińskich drogach ma jeździć milion aut z napędem wodorowym. W przyszłym roku chiński rząd wycofa dotacje długoterminowe dla rozwoju elektromobilności przy jednoczesnym utrzymaniu dotacji dla transportu opartego na ogniwach wodorowych. Według ustaleń z Lithium Supply & Markets całkowite zużycie ekwiwalentu węglanu litu na świecie osiągnie najprawdopodobniej 1 mln ton do 2025 r. W 2018 roku było to około 300 tys. ton. Źródło: Newseria
Produkujemy baterie litowo – jonowe na zamówienie klienta. W BatteryGuru zajmujemy się projektowaniem, konstruowaniem oraz produkcją na zamówienie baterii litowo-jonowych do różnych zastosowań. Jesteśmy dostawcą baterii m. in. do skuterów, microcar’ów, e-bike’ów, hulajnóg i desek elektrycznych, a nawet wózków inwalidzkich i
BASF wyłącznym dostawcą wysokoenergetycznych aktywnych materiałów katodowych HED™ do wyczynowych modeli Porsche. BASF zajmie się recyklingiem odpadów pochodzących z produkcji ogniw do baterii z Cellforce Group, zamykając obieg surowców. Cellforce Group, joint-venture Porsche i Customcells, wybrał firmę BASF jako wyłącznego partnera w rozwoju ogniw do baterii litowo-jonowych nowej generacji. W ramach nawiązanej współpracy BASF będzie dostarczać wysokoenergetyczne aktywne materiały katodowe HED™ NCM (nikiel, kobalt, tlenek manganu), które pozwalają uzyskać wysoką wydajność ogniw, dającą w efekcie krótki czas ładowania , jak i dużą gęstość energetyczną akumulatora. Wysokowydajne baterie będą produkowane przez Cellforce Group z siedzibą w Tübingen, w Niemczech. Uruchomienie produkcji jest planowane na 2024 r., początkowo z wydajnością co najmniej 1000MWh rocznie, co odpowiada zapotrzebowaniu na baterie do 1000 samochodów sportowych i wyczynowych. Firma BASF, jako czołowy w skali światowej dostawca wysokosprawnych aktywnych materiałów katodowych z prężną siecią badawczo-rozwojową, jest doskonale przygotowana do współpracy w ramach partnerstw na rzecz budowania gospodarki o obiegu zamkniętym. Dzięki zakładom wytwarzającym prekursory aktywnych materiałów katodowych (CAM)w miejscowości Harjavalta, w Finlandii, oraz fabryce samych materiałów CAM w Schwarzheide, w Niemczech, BASF już od 2022 r. może dostarczać materiały do produkcji baterii samochodowych z zachowaniem najwyższych standardów zrównoważonego rozwoju. Zakłady te opierają swoją bazę surowcową na odpowiedzialnych i niezawodnych źródłach, przyczyniając się do zmniejszenia śladu węglowego w całym łańcuchu dostaw. W celu zamknięcia obiegu surowców odpady produkcyjne z przyszłej fabryki baterii Cellforce Group będą poddawane recyklingowi w prototypowej instalacji recyklingu akumulatorów BASF w Schwarzheide w Niemczech. Lit, nikiel, kobalt i mangan będą odzyskiwane w procesie hydrometalurgicznym i ponownie wprowadzone do procesu produkcji aktywnych materiałów katodowych BASF. „Liczymy na owocną współpracę z Porsche i Cellforce Group przy rozwijaniu wysokowydajnych baterii do samochodów elektrycznych oraz w innych przedsięwzięciach na rzecz wspieranej przez wszystkich partnerów zrównoważonej mobilności” — powiedział dr Markus Kamieth, członek Zarządu BASF SE. „Nasze placówki badawczo-rozwojowe zadbają o dostosowanie aktywnych materiałów katodowych BASF do specyficznych wymagań Porsche. Ponadto dzięki naszemu wydajnemu procesowi produkcyjnemu, a w jego ramach wysokiemu udziałowi energii odnawialnej oraz integracji łańcucha dostaw najważniejszych surowców, jak również skróceniu czasu transportu pomiędzy kolejnymi etapami produkcji, materiały te będą charakteryzować się najniższym w branży wkładem w emisje CO2. Recykling baterii zagwarantuje, że cenne materiały pozostaną w obiegu zamkniętym, co przyczyni się do dalszej redukcji śladu węglowego naszych materiałów katodowych o nawet 60%”. „Porsche zamierza osiągnąć neutralność pod względem emisji CO2 związanych z produkcją samochodów do 2030 r. Dlatego też firma przykłada coraz większą wagę do niskiego śladu węglowego, recyklingu w obiegu zamkniętym oraz zrównoważonego rozwoju” — powiedział Michael Steiner, członek Zarządu Porsche AG, odpowiedzialny za badania i rozwój. „Współpraca z BASF jest korzystna dla wszystkich zaangażowanych stron. O wyborze BASF jako partnera zadecydowało przede wszystkim europejskie pochodzenie niklu i kobaltu oraz związane z tym bezpieczeństwo dostaw i krótkie trasy transportowe ze Schwarzheide do Badenii-Wirtembergii. Ogniwa do baterii — a szczególnie aktywne materiały katodowe — są tutaj w centrum zainteresowania. Wszyscy jesteśmy bardzo zadowoleni, że razem z BASF wdrażamy seryjną produkcję ogniw w przyjaznej dla środowiska technologii”. „Głęboka wiedza ekspercka BASF w zakresie aktywnych materiałów katodowych jest dla nas wsparciem w kluczowym obszarze rozwoju ogniw” — dodał Markus Gräf, dyrektor zarządzający Cellforce Group. „Aktywne materiały katodowe wykazują bardzo wysoką stabilność cyklu od samego początku, co jest szczególnie istotne dla szybkości ładowania. Cellforce poszukiwał materiałów o dokładnie takich właściwościach. BASF prowadzi także intensywne prace w zakresie adaptacji aktywnych materiałów katodowych do wymagań związanych z nową generacją anod krzemowych. Również w obszarze produkcji wypracowaliśmy razem z BASF koncepcję gromadzenia odpadów powstających na poszczególnych jej etapach i ich ponownego wprowadzania do procesu zgodnie z ideą recyklingu w obiegu zamkniętym. Pozwala to obniżyć koszty, a jednocześnie oszczędzać zasoby i zmniejszyć obciążenie dla środowiska”. Kontakt dla mediów — BASF: Relacje z mediami: Media branżowe: Daniela Rechenberger Tel.: +49 151-2349 4748 E-mail: @ Sophie Lyu Tel.: +86 21 2039-3252 E-mail: @ Kontakt dla mediów — Porsche: Hermann-Josef Stappen Rzecznik ds. badań i rozwoju, komunikacja technologiczna Tel.: +49 (0)7 11/9 11-2 52 31 Tel. kom.: +49 (0)1 70/9 11-43 40 E‑mail: @ Najświeższe wiadomości od BASF w powiadomieniach push na Twoim smartfonie. Aby je otrzymywać, zarejestruj się na Dział Katalizatorów BASF Dział Katalizatorów BASF to największy dostawca katalizatorów środowiskowych i procesowych na świecie. Grupa dysponuje wyjątkową wiedzą w zakresie rozwoju technologii pozwalających chronić powietrze, którym oddychamy, wytwarzać paliwa, które napędzają nasz świat, oraz wydajnie produkować szeroką gamę chemikaliów, tworzyw sztucznych i innych wyrobów, w tym zaawansowane materiały stosowane w akumulatorach. Wykorzystując czołowe w branży platformy badawczo-rozwojowe, pasję do innowacji i gruntowną wiedzę na temat metali szlachetnych i nieszlachetnych, Dział Katalizatorów BASF opracowuje unikatowe, autorskie rozwiązania, które przyczyniają się do sukcesu klientów. Więcej informacji na temat Działu Katalizatorów BASF znajduje się na stronie internetowej BASF W BASF tworzymy chemię dla zrównoważonej przyszłości. Łączymy sukces gospodarczy z ochroną środowiska i odpowiedzialnością społeczną. Ponad 110 000 pracowników Grupy BASF przyczynia się do sukcesu naszych klientów reprezentujących niemal wszystkie branże i kraje świata. Prowadzimy działalność w sześciu segmentach: chemikalia, materiały, rozwiązania dla przemysłu, technologie powierzchniowe, żywienie i higiena, rozwiązania dla rolnictwa. W 2020 r. przychody firmy BASF ze sprzedaży wyniosły 59 mld EUR. Akcje BASF są notowane na giełdzie we Frankfurcie (symbol: BAS), zaś w USA emitowane są amerykańskie kwity depozytowe spółki (symbol: BASFY). Więcej informacji można znaleźć na stronie Firma inwestuje w nowy rodzaj baterii, czyli odmiany litowo-jonowej ze stałym elektrolitem, dzięki którym można zyskać znacznie większy zasięg przy tych samych gabarytach. Pierwszy samochód elektryczny z nową technologią baterii Toyota pokaże jeszcze przed rozpoczęciem igrzysk olimpijskich w 2020 roku. Czasem nie warto się śpieszyć.
Baterie litowo-jonowe dla pojazdów elektrycznych stały się jedną ze specjalności polskiego eksportu. Trafiają głównie do innych państw członkowskich Unii Europejskiej. Ale, aby utrzymać pozycję unijnego lidera, a jednocześnie skutecznie konkurować z producentami azjatyckimi, Polska musi nie tylko dalej rozwijać zdolności produkcyjne, ale również wytwarzać akumulatory litowo-jonowe o niższym śladzie węglowym. Ich wynalezienie i upowszechnienie się zmieniło świat. Dało nam już wszechobecne urządzenia mobilne, a teraz pozwoli na ogromną rewolucję w motoryzacji i rozpowszechnienie samochodów elektrycznych. Nic dziwnego, że opracowanie baterii litowo-jonowych nagrodzono w 2019 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Gdy w Sztokholmie wręczano królewską nagrodę trzem pracującym na przestrzeni wielu lat nad tym wynalazkiem i jego udoskonaleniem naukowcom, którzy wzajemnie korzystali ze swoich doświadczeń – a chodzi o Amerykanina Johna B. Goodenougha, Brytyjczyka M. Stanleya Whittinghama oraz Japończyk Akirę Yoshino – Polska już była największym w Unii Europejskiej eksporterem akumulatorów litowo-jonowych dla pojazdów elektrycznych. Perspektywy dla dalszego rozwinięcia tej branży są nad Wisłą duże, ale do pokonania jest kilka wyzwań – głównie natury energetyczno-klimatyczno-środowiskowej. Nobel za baterie litowo-jonowe. Europa w tyle w ich produkcji Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano w tym roku za stworzenie i rozwój baterii litowo-jonowych. Potentatem w produkcji baterii litowo-jonowych jest dziś Azja. Europa pozostaje daleko w tyle, choć wyjątkiem jest na jej tle Polska. Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii powędrowała … Eksport ciągle rośnie Wywołany przez pandemię COVID-19 kryzys gospodarczy nie zahamował wzrostu eksportu baterii litowo-jonowych wyprodukowanych Polsce. Jego wartość według danych Głównego Urzędu Statystycznego przekroczyła na koniec 2020 r. 400 mln euro. I ciągle rośnie. Baterie są też polskim towarem eksportowym numer jeden. Pod koniec ubiegłego roku wskoczyły na pierwsze miejsce najczęściej sprzedawanych za granicę polskich produktów. Wszystko to wynika przede wszystkim ze zwiększania produkcji akumulatorów litowo-jonowych w Polsce „Bateria nawet co dziewiątego samochodu elektrycznego jeżdżącego Europie będzie pochodziła z Polski” – mówił już w 2017 r. premier Mateusz Morawiecki, gdy startowała budowa największej obecnie istniejącej europejskiej fabryki baterii litowo-jonowych w Biskupicach Podgórnych na Dolnym Śląsku. Zakład należy do koreańskiego koncernu LG Energy Solutions (dawniej LG Chem). Wytwarzanych jest tam nawet 100 tys. akumulatorów rocznie. Ale wiele wskazuje na to, że polskich baterii będzie w europejskich samochodach elektrycznych jeszcze więcej. Miliardy na rozwój baterii elektrycznych w UE Komisja Europejska zatwierdziła finansowe wsparcie dla kilku państw europejskich z przeznaczeniem na projekt wsparcia badań i innowacji w obszarze produkcji baterii do samochodów elektrycznych. Wśród siedmiu państw jest Polska. Nowy fundusz, na finansowanie którego zgodę wyraziła w poniedziałek Komisja Europejska, … W Polsce będzie największa fabryka ogniw litowo-jonowych na świecie LG idzie bowiem za ciosem. Koreański koncern zapowiedział w ostatni czwartek (21 stycznia) rozbudowę swojego zakładu w Kobierzycach pod Wrocławiem. Ta fabryka, kiedy zostanie ostatecznie pod koniec 2022 r. rozbudowana, ma zatrudniać nawet 10 tys. osób. „To będzie największa fabryka akumulatorów EV na świecie. Może zaspokoić nawet 60 proc. obecnego zapotrzebowania na takie baterie w Europie” – powiedział prezes Agencji Rozwoju Przemysłu Cezariusz Lesisz. ARP przyznała inwestorowi swoje wsparcie. O skali najnowszej planowanej inwestycji LG w Polsce najlepiej świadczy to, że fabryka w Kobierzycach chce wytwarzać rocznie akumulatory o łącznej pojemności 100 GWh. Pozwoliłoby to wyposażyć w akumulatory ponad 1 mln samochodów elektrycznych lub prawie 10 mln hybryd plug-in. No i znacząco zwiększyć globalną roczną pojemność ogniw litowo-jonowych, która w 2019 r. wyniosła 180 GWh. Największy obecnie w pełni działający zakład znajduje się w Chinach. Fabryka koncernu BYD w Qinghai ma jednak mocne produkcyjne na poziomie 60 GWh rocznie. W Polsce inwestują też w produkcję akumulatorów litowo-jonowych inne koncerny z Korei Południowej, np. SK Innovations, Nara Battery Engineering, Foosung czy Enchem. Zakłady produkcyjne powstały nie tylko na Dolnym Śląsku, ale także w Kędzierzynie-Koźlu na Opolszczyźnie czy w Dąbrowie Górniczej w rejonie Zagłębia. Inwestycje w Polsce realizują lub planują zrealizować także – belgijski Umicore, brytyjski Johnson Matthey czy szwedzki Northvolt. Ale w Polsce znajduje się nie tylko produkcja gotowych ogniw, ale również komponentów do nich – separatorów, kabli czy elektrolitów. Chiński koncern Zhangjiagang Guotai-Huarong New Chemical Materials chce w Polsce postawić największą w Europie fabrykę elektrolitu do baterii litowo-jonowych. Tego typu zakład chce budować także chiński Capchem. Koreański Kyungshin planuje zaś rozszerzać produkcję kabli. IBM stworzył baterie ze słonej wody? IBM poinformował o udanych testach zupełnie nowego typu baterii elektrycznej, który może zrewolucjonizować magazynowanie energii. Nowatorskie ogniwa miałby być pozbawione metali ciężkich, a wykorzystywać składniki z… morskiej wody. Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie chemii przyznana została trzem naukowcom, którzy niezależnie od … Odbiorcy głównie w Niemczech, ale nie tylko Większość polskiej produkcji ogniw litowo-jonowych nie bez przyczyny jest zlokalizowana w zachodniej części kraju. Największymi odbiorcami wytworzonych w Polsce baterii są bowiem koncerny niemieckie – Volkswagen, Daimler i BMW. Trafiają one także do pojazdów produkowanych pod marką Škoda. Ale w Polsce wytwarza się również akumulatory dla elektrycznych i hybrydowych samochodów francuskich (Renault), brytyjskich (Jaguar) czy koreańskich (Hyundai). W nowym zakładzie w Kobierzycach mają także powstawać baterie do amerykańskich Fordów – Mustanga i Transita. „Nie można też zapomnieć o tym, że koncern BMZ w Gliwicach na Śląsku wytwarza baterie do elektrycznych rowerów, skuterów, elektronarzędzi czy zelektryfikowanych autobusów” – dodaje w rozmowie z Jan Wiśniewski z Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych. Pozytywny wpływ na popyt na baterie litowo-jonowe wywiera także sukcesywny spadek ich cen. W latach 2010-2019 cena jednej kWh wytworzonej w takim akumulatorze obniżyła się licząc w dolarach o aż 90 proc. Jeszcze kilka lat temu nawet 60 proc. ceny końcowej samochodu elektrycznego stanowił właśnie koszt baterii. Teraz to już jednak około 30 proc. Udało się to osiągnąć z jednej strony dzięki większej wydajności samych baterii, a także wprowadzaniu rozwiązań pozwalających zmniejszyć potrzebną do produkcji ilość drogich i rzadkich pierwiastków takich jak np. kobalt czy lit. Na przykład opracowanie akumulatorów ze stałym elektrolitem sprawia, że znika potrzeba wykorzystywania pierwszego z nich. Sukces Tesli napędzi produkcję w Polsce? O tym, że zainteresowanie akumulatorami litowo-jonowymi na świecie będzie rosnąć świadczy też ubiegłoroczny sukces amerykańskiego koncernu Tesla, który mimo wywołanego przez pandemię COVID-19 kryzysu gospodarczego wyrobił swoje plany, założone jeszcze przed pojawieniem się koronawirusa. A w każdym razie był tego niezwykle bliski. Z zaplanowanych 500 tys. pojazdów marki Tesla na rynek nie trafiło tylko… 450 sztuk. Firma Elona Muska niezwykle łatwo też pozyskiwała nowy kapitał. Jej giełdowa wartość urosła w 2020 r. aż o 754 proc. w stosunku do końca poprzedniego roku, co wywindowało założyciela koncernu na pierwsze miejsce listy najbogatszych ludzi na świecie, choć jeszcze rok wcześniej był na niej na 50. miejscu. Tesla intensywnie pracuje więc nad zwiększaniem swoich mocy produkcyjnych, w czym mają pomóc tzw. Gigafabryki. Jedna z nich powstanie w Europie, a konkretnie w Niemczech, tuż obok Berlina. Koncepcja Gigafabryki zakłada jednak wytwarzanie nie tylko gotowych pojazdów, ale też podzespołów do nich. Musk zapowiedział już, że do 2030 r. Tesla we własnych fabrykach będzie wytwarzać rocznie akumulatory litowo-jonowe o łącznej pojemności aż… 3 tys. GWh. Ale prawdopodobnie i tak amerykański koncern – przynajmniej przez obecną dekadę – dalej będzie potrzebować zewnętrznych dostawców. Jak wyjaśnia w rozmowie z Rafał Bajczuk z Fundacji Promocji Pojazdów Elektrycznych, obecnie Tesla kupuje baterie od koreańskiego LG Chem, japońskiego Panasonica oraz chińskiego CATL. „Amerykański producent samochodów pracuje też nad własną produkcją nowego typu ogniw bateryjnych 4680 (ich nazwa pochodzi od wymiarów: 46 mm średnicy, 80 mm długości). Ogniwa będą produkowane w amerykańskiej fabryce Tesli oraz – od lata 2021 r. – w europejskiej fabryce w Berlinie. Ale nowe ogniwa dla Tesli dalej będzie również produkować Panasonic, a prawdopodobnie także LG” – wyjaśnia ekspert. Jego zdaniem „prawdopodobny sukces sprzedażowy Tesli będzie skutkował zwiększeniem zamówień na ogniwa u producentów zewnętrznych, w tym w Polsce“. „Wzrost popularności elektromobilności jeszcze bardziej zwiększy popyt na produkcję baterii do tych samochodów. Przed sektorem rozpościerają się świetne perspektywy rozwoju“ – prognozuje Bajczuk. O tym, że tak duża produkcja baterii litowo-jonowych lub komponentów do nich została zlokalizowana w Polsce zadecydowały niższe niż w Europie Zachodniej koszty pracy oraz atrakcyjne położenie geograficzne, a więc bliskość wielu europejskich fabryk motoryzacyjnych przy jednoczesnym istnieniu dobrych połączeń komunikacyjnych. Ale także finansowe wsparcie publiczne dla inwestorów. Polski rząd w 2019 r. zapowiedział przeznaczenie na to nawet 3,1 mld euro. Kilka wyzwań przed producentami baterii w Polsce Ale branża ma też przed sobą poważne wyzwania. Jan Wiśniewski wskazuje na kwestie administracyjne. „Najlepszym przykładem jest planowana fabryka elektrolitu Guotai-Huarong w Godzikowicach na Dolnym Śląsku, gdzie Samorządowe Kolegium Odwoławcze uchyliło decyzję wójta o środowiskowych uwarunkowaniach inwestycji i cały proces musiał rozpocząć się od nowa” – wskazuje ekspert. Również w Śremie w Wielkopolsce, gdzie na terenie dawnych zakładów BASF produkcję elektrolitu chce uruchomić Capchem, wciąż nie ma na to zgody starostwa powiatowego. Władze samorządowe wzięły pod uwagę protesty części mieszkańców, którzy boją się zanieczyszczeń. I uznały, że inwestor nie przygotował odpowiedniej oceny ryzyka środowiskowego. Wiśniewski dodaje jednak jeszcze jedno wyzwanie. „Chodzi o to, aby fakt lokalizacji w Polsce tak wielu zakładów został w możliwie efektywny sposób wykorzystany wewnętrznie – w postaci rozwijania kompetencji oraz budowy ekosystemu angażującego w proces produkcyjny również polskie podmioty”. Z kolei Rafał Bajczuk wskazuje na inną kwestię – sprostanie wymogom planowanej unijnej dyrektywy w sprawie baterii, która zakłada, że od 2027 r. producenci baterii będą musieli raportować ślad węglowy swojego produktu. „Dla Polski, która ma jeden z najbardziej emisyjnych miksów energetycznych w UE może to oznaczać, że przestaniemy być atrakcyjnym miejscem dla inwestycji w sektor produkcji baterii. Jeśli chcemy, żeby Polska była w długim okresie atrakcyjnym miejscem dla sektora produkcji baterii należy też zadbać o dobre regulacje i atrakcyjne warunki dla inwestycji w recycling baterii, żeby zagwarantować producentom dostęp do surowców do produkcji nowych ogniw bateryjnych” – mówi. Konkurencja z Azją możliwa, choć trudna Największym producentem ogniw litowo-jonowych pozostają Chiny. W obszarze tych mniejszych – do laptopów, smartfonów czy innych urządzeń mobilnych – raczej już numerem jeden pozostaną. Większość produkcji urządzeń potrzebujących takich ogniw też zlokalizowana jest bowiem w Państwie Środka. Ale z akumulatorami do pojazdów elektrycznych może być inaczej. Ich produkcja rozsiana jest po całym świecie, a wiele fabryk znajduje się w Europie. Ale – jak zaznacza Jan Wiśniewski – Stary Kontynent ma jeszcze bardzo dużo do nadrobienia. „W 2020 r. czołowymi producentami ogniw litowo-jonowych były kraje azjatyckie: Chiny, Korea Południowa oraz Japonia. Państwo Środka w ubiegłym roku odpowiadało aż za 77 proc. wytwarzanych na świecie ogniw oraz odpowiednio 80 proc. surowców i 60 proc. komponentów związanych z sektorem bateryjnym” – mówi. Jak dodaje, w Europie realizowane są inwestycje mające zmniejszyć ten dystans – takie jak np. fabryka Northvolt w szwedzkim Skellefteå – ale producenci azjatyccy również budują kolejne zakłady, także w Europie (np. CATL w Niemczech). Do tego, z istniejących już na świecie 142 dużych fabryk baterii litowo-jonowych aż 109 znajduje się w Chinach. Zdobycie niezależności w zakresie produkcji baterii stało się jednak priorytetem dla instytucji unijnych. Komisja Europejska zapowiedziała w ubiegłym roku, że do 2025 r. UE będzie pod względem takiej produkcji samowystarczalna, a nawet – po zaspokojeniu potrzeb europejskiej branży motoryzacyjnej – uda jej się zbudować zdolności eksportowe. Jak przypomina Rafał Bajczuk, Europa mocno inwestuje w swoją produkcję. Według wyliczeń KE tylko w 2019 r. w całym łańcuchu wartości akumulatorów w UE zainwestowano około 60 mld euro, czyli trzy razy więcej niż w Chinach. W konkurencji z azjatyckimi producentami pomóc ma także postawienie na kwestie środowiskowe. „Nowa unijna propozycja przepisów dotyczących baterii ma również na celu stworzenie konkurencji opartej na zrównoważonym rozwoju. Chodzi nie tylko o niski ślad węglowy, ale także o zrównoważone, a w tym sensie także etyczne pozyskiwanie materiałów. W tym obszarze gracze z UE mogą odnieść sukces“ – tłumaczy Bajczuk. Ale tu znów wracamy do stojącego przed Polską wyzwania dotyczącego obniżenia śladu węglowego polskich fabryk. Szwedzi budując fabrykę w Skellefteå od razu założyli konkurowanie z Chińczykami nie tylko ceną i wydajnością produktu, ale także ekologicznością jego wytwarzania. Ale Jan Wiśniewski nazywa jednak plany osiągnięcia przez UE samowystarczalności w produkcji baterii litowo-jonowych w najbliższych pięciu latach – „bardzo optymistycznymi”. „Prognozy Bloomberg New Energy Finance, zakładają że do 2025 r. państwa azjatyckie utrzymają dominującą pozycję” – zauważa.
w Polsce jest wiele firm przygotowujących pakiety litowo-jonowe. Idzie nam na tyle dobrze, że zajmujemy obecnie pierwsze miejsce w Europie oraz piąte na świecie pod względem dostaw baterii litowo-jonowych i ich komponentów do samochodów w pełni elektrycznych – podaje Bloomberg New Energy Wtorek, 09 października 2018 | Technika Akumulatory na ogniwa litowo-jonowe są lekkie i mają większą gęstość energii niż inne, na przykład w porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych aż o 50%. Dzięki temu są popularnym źródłem energii zasilania w elektronice użytkowej i autach elektrycznych. Chociaż przewiduje się, że jeszcze długo żaden inny typ akumulatorów nie będzie stanowił dla nich konkurencji, o przyszłym zapotrzebowaniu na nie zdecyduje to, czy uda się poprawić ich parametry, przede wszystkim pojemność i żywotność, oraz zapewnić bezpieczeństwo ich użytkowania. Spis treści Konstrukcja ogniwParametry użytkowe i bezpieczeństwoObawy zniechęcają do zakupu aut elektrycznychŻywotnośćBezpieczeństwoMateriały konstrukcyjneProblematyczne dendrytyPotencjał krzemuElektrolit ciekły czy żelowy?PorównanieBadania na etapie produkcjiPrzegląd metod NDTPrzykład BMSWskaźnik poziomu naładowaniaBalansowanie ogniw Niezależnie od rodzaju każdy akumulator zbudowany jest z czterech podstawowych komponentów: anody, katody, separatora i elektrolitu. Elektrody wykonuje się z różnych materiałów. Dobiera się je tak, żeby w akumulatorze mogła zajść odwracalna reakcja chemiczna, w wyniku której jony będą się przemieszczać pomiędzy katodą a anodą. Podczas ładowania akumulatora, na skutek przepływu prądu pobieranego ze źródła zasilania, jony - w przypadku tytułowych urządzeń są to jony litu - przemieszczają się w elektrolicie w kierunku od elektrody dodatniej do elektrody ujemnej. Podczas rozładowywania z kolei jony płyną w kierunku odwrotnym, czyli od anody do katody, uwalniając przy tym energię, którą jest zasilane urządzenie, wyposażone w akumulator. Jak wspomniano wyżej, częścią akumulatora jest także separator. Ma on zwykle postać membrany z tworzywa sztucznego. Zadaniem tego elementu jest elektryczna izolacja anody od katody. Ciągłość separatora jest warunkiem koniecznym dla bezpiecznej pracy akumulatora. Warto w tym miejscu dodać, że lit charakteryzuje silna reaktywność. Z punktu widzenia zdolności do gromadzenia energii elektrycznej jest to ważna zaleta tego materiału. Z drugiej jednak strony to czyni akumulatory litowo-jonowe potencjalnie niebezpiecznymi. Ogniwa litowo jonowe - konstrukcja Jeżeli ich temperatura wewnętrzna zbytnio wzrośnie, stabilność reakcji chemicznych, które w nich zachodzą nie będzie gwarantowana. Żeby temu zapobiec, w akumulatorach montowane są rozmaite zabezpieczenia. Przykładem są odpowietrzniki, dzięki którym można obniżyć ciśnienie panujące w ich wnętrzu oraz separatory wykonane z mikroporowatych tworzyw. W tych drugich, w przypadku przekroczenia temperatury granicznej, mikrootwory ulegają stopieniu, blokując przepływ jonów. Ogniwa litowo-jonowe akumulatora zbudowane są z warstwowo ułożonych elektrod zamkniętych w metalowej obudowie. Przeważnie materiałem anody pokrywa się folię miedzianą, natomiast materiałem katody folię aluminiową. Pomiędzy nimi umieszcza się separator. Poszczególne warstwy akumulatora są układane jedna na drugiej i ustawiane pionowo albo zwijane. Po osadzeniu elektrod w obudowie jest ona wypełniana elektrolitem. Krok ten poprzedza uszczelnienie akumulatora. W obudowie montowany jest zawór, który umożliwia odprowadzenie nadmiaru gazów, będących produktami ubocznymi reakcji, które zachodzą w elektrolicie. Ogniwa łączy się ze sobą. Łączenie szeregowe zwiększa napięcie akumulatora, zaś łączenie wielu ogniw litowo-jonowych albo ich rzędów równolegle - prąd. Parametry użytkowe i bezpieczeństwo Mimo wielu zalet, dzięki którym akumulatory litowo-jonowe są powszechnie używane, dotyczą ich wciąż liczne ograniczenia. Jeżeli nie zostaną z czasem rozwiązane, z pewnością wpłyną na przyszłe zapotrzebowanie na ten rodzaj akumulatorów, jeśli naukowcom uda się w końcu zbudować konstrukcje dla nich alternatywne. Najważniejsze ograniczenia obejmują wybrane parametry oraz bezpieczeństwo użytkowania tytułowych akumulatorów. Jeśli chodzi o te pierwsze, najważniejsze z nich to: pojemność, od której zależy to, jak często trzeba doładowywać akumulator, i jego żywotność. Parametry te mają szczególne znaczenie w przypadku akumulatorów zasilających samochody elektryczne. Pojemności akumulatorów obecnie są znacząco większe niż jeszcze parę lat temu, dzięki czemu można je ładować nieporównywalnie krócej. Wciąż jednak w tym zakresie jest dużo do zrobienia, zwłaszcza na potrzeby branży motoryzacyjnej. Obawy zniechęcają do zakupu aut elektrycznych W przypadku elektroniki użytkowej można by zaryzykować stwierdzenie, że pojemności obecnie dostępnych akumulatorów są stosowne do potrzeb użytkowników. Większość smartfonów bowiem może bez przerwy cały dzień działać na zasilania bateryjnym, nawet jeżeli są na nich uruchamiane aplikacje mocno obciążające jego pamięć i/lub procesor. Poza tym, gdy w końcu akumulator się rozładuje, znalezienie gniazdka elektrycznego nie stanowi zwykle większego problemu, a telefon można podładować już w ciągu godziny. Zupełnie inaczej jest w przypadku samochodów elektrycznych. Ich zasięg, chociaż wciąż rośnie, jest ograniczony do około 160 km, a nawet mniejszej odległości w przypadku wielu marek aut tego typu. Co gorsza, chociaż stacji ich ładowania cały czas przybywa, sieci tych obiektów wciąż nie są jeszcze tak gęsto rozmieszczone, jak w przypadku stacji benzynowych. Oprócz tego naładowanie samochodu elektrycznego może zająć nawet kilka godzin. W rezultacie wiele osób obawia się, że ilość energii zmagazynowanej w akumulatorze pojazdu nie będzie wystarczająca, żeby można było z niego na co dzień swobodnie korzystać i przeraża je wizja rozładowania się samochodu podczas jazdy, zanim dotrą do celu swojej podróży albo do stacji ładowania, zwłaszcza jeżeli tam, gdzie mieszkają, sieć takich punktów nie jest rozbudowana. Ten lęk jest według badań najczęstszą przyczyną rezygnacji z zakupu auta elektrycznego.
  • Не ухէ ωщևчዤፉኯρቺ
  • ጸ αχаጷу эλըፀቆлራհ
    • Νε ωգቮ
    • Есοй ፋνоբихок иσከму ጁашар
. 87 267 291 400 26 147 446 15

baterie litowo jonowe do samochodów elektrycznych