Lithium-iontový akumulátor

Rozbalit box

Obsah boxu

Lithium-iontový akumulátor (běžně označovaný jako Li-ion baterie) je typ dobíjecího elektrochemického článku, ve kterém jsou hlavními nosiči elektrického náboje ionty lithia. Díky své vysoké hustotě energie, nízké míře samovybíjení a absenci paměťového efektu se staly dominantní technologií pro napájení přenosné elektroniky, elektrických vozidel a systémů pro ukládání energie. Jejich vynález znamenal revoluci v mobilitě a miniaturizaci technologií.

Lithium-iontový akumulátor
Soubor:Li-ion-18650.jpg
Běžné válcové Li-ion články typu 18650
Princip	Interkalace lithiových iontů
Typ	Dobíjecí baterie
Vynálezce	M. Stanley Whittingham, John B. Goodenough, Akira Yoshino

⏳ Historie

Vývoj moderní Li-ion baterie byl postupný proces, na kterém se podíleli tři klíčoví vědci, kteří za svou práci v roce 2019 obdrželi Nobelovu cenu za chemii.

oil Průkopnická práce (70. léta)

V 70. letech 20. století, během ropné krize, začal britský chemik M. Stanley Whittingham při práci pro společnost Exxon zkoumat materiály schopné uchovávat energii. Vytvořil první funkční dobíjecí lithiovou baterii, která používala anodu z kovového lithia (velmi reaktivního) a katodu z disulfidu titaničitého. Baterie fungovala, ale byla náchylná k tvorbě lithiových dendritů – jehličkovitých krystalů, které mohly způsobit zkrat a explozivní požár.

⚛️ Klíčový objev katody (1980)

Americký fyzik John B. Goodenough navázal na Whittinghamův výzkum. Předpověděl, že použitím oxidu kovu jako katody lze dosáhnout vyššího napětí a stability. V roce 1980 prokázal, že oxid lithno-kobaltitý (LiCoO₂) může sloužit jako lehká a vysoce energetická katoda. Tento objev vytvořil základ pro mnohem výkonnější a stabilnější baterie.

🔋 Bezpečná anoda a komercializace (1985–1991)

Problém s reaktivní lithiovou anodou vyřešil v roce 1985 japonský chemik Akira Yoshino. Místo čistého lithia použil jako anodu uhlíkový materiál (ropný koks), do kterého se ionty lithia mohly bezpečně "uložit" během nabíjení (proces zvaný interkalace). Vytvořil tak první prototyp moderní, komerčně životaschopné a bezpečné Li-ion baterie, která nepoužívala reaktivní kovové lithium.

Na základě práce těchto tří vědců uvedla japonská společnost Sony v roce 1991 na trh první komerční Li-ion akumulátor, který odstartoval revoluci v přenosné elektronice.

⚙️ Princip fungování

Li-ion baterie funguje na principu přesunu lithiových iontů (Li⁺) mezi dvěma elektrodami – anodou a katodou – skrze elektrolyt.

Klíčové komponenty

1. Anoda (záporná elektroda): Během nabíjení ukládá lithiové ionty. Nejčastěji je vyrobena z grafitu. 2. Katoda (kladná elektroda): Během nabíjení uvolňuje lithiové ionty. Je tvořena oxidem lithia a dalšího kovu, například oxidu lithno-kobaltitého (LCO), lithium-nikl-mangan-kobalt oxidu (NMC) nebo fosforečnanu lithno-železitého (LFP). 3. Elektrolyt: Je to kapalina nebo gel (organické rozpouštědlo s lithiovými solemi), který umožňuje transport iontů mezi elektrodami. Je elektricky nevodivý, aby nedošlo ke zkratu. 4. Separátor: Mikroporézní polymerová membrána, která fyzicky odděluje anodu a katodu, aby se zabránilo přímému kontaktu a zkratu, ale zároveň propouští lithiové ionty.

Proces vybíjení (dodávání energie)

Když se baterie používá (vybíjí), děje se následující:

• Lithiové ionty (Li⁺) se uvolňují z anody (grafitu).
• Procházejí skrze separátor a elektrolyt ke katodě, kde se ukládají.
• Zároveň elektrony (e⁻), které nemohou projít separátorem, jsou nuceny cestovat vnějším elektrickým obvodem (např. přes mobilní telefon nebo motor auta). Tento tok elektronů je elektrický proud, který napájí zařízení.

Proces nabíjení

Při nabíjení je proces obrácený:

• Externí zdroj napětí (nabíječka) "tlačí" elektrony do anody.
• To nutí lithiové ionty (Li⁺), aby se uvolnily z katody.
• Ionty opět putují skrze elektrolyt a ukládají se zpět do struktury anody (grafitu), kde čekají na další vybití.

🧪 Hlavní typy Li-ion akumulátorů

Li-ion akumulátory nejsou jediným typem; liší se především chemickým složením katody, což zásadně ovlivňuje jejich vlastnosti, jako je hustota energie, životnost, bezpečnost a cena. Označují se podle použitých prvků.

• LCO (Oxid lithno-kobaltitý, LiCoO₂): Původní a stále běžná chemie v osobní elektronice (telefony, notebooky). Nabízí vysokou hustotu energie, ale má kratší životnost, nižší tepelnou stabilitu a využívá drahý a eticky problematický kobalt.
• NMC (Lithium-nikl-mangan-kobalt oxid, LiNiMnCoO₂): Nejoblíbenější chemie pro elektromobily a elektrické nářadí. Poskytuje vyváženou kombinaci vysoké hustoty energie, dobrého výkonu a dlouhé životnosti. Poměr kovů (např. NMC 811, 622) se mění pro optimalizaci vlastností.
• LFP (Fosforečnan lithno-železitý, LiFePO₄): Rychle rostoucí segment, zejména v elektromobilitě a stacionárních úložištích. Má sice nižší hustotu energie než NMC, ale je výrazně bezpečnější (téměř bez rizika tepelného úniku), má extrémně dlouhou životnost (tisíce cyklů) a neobsahuje kobalt ani nikl, což snižuje cenu a environmentální dopad.
• NCA (Lithium-nikl-kobalt-hliník oxid, LiNiCoAlO₂): Podobná chemii NMC, nabízí vysokou hustotu energie a výkon. Dlouho byla preferovanou volbou společnosti Tesla pro její modely s dlouhým dojezdem.
• LMO (Oxid lithno-manganatý, LiMn₂O₄): Vyniká schopností dodávat vysoký proud a dobrou tepelnou stabilitou, ale má nižší kapacitu a kratší životnost. Používá se v elektrickém nářadí a některých hybridních vozidlech.

👍 Výhody a nevýhody

Výhody	Nevýhody
Vysoká hustota energie (více energie v menším a lehčím balení)	Vyšší cena (zejména kvůli ceně lithia, kobaltu a niklu)
Nízké samovybíjení (udrží náboj měsíce, když se nepoužívá)	Bezpečnostní rizika (při poškození nebo nesprávném použití hrozí tepelný únik)
Žádný paměťový efekt (lze dobíjet kdykoli bez snížení kapacity)	Postupná degradace (kapacita klesá s věkem a počtem cyklů)
Vysoké napětí článku (cca 3,6 V), což zjednodušuje konstrukci	Citlivost na teplotu (vysoké i nízké teploty snižují výkon a životnost)
Flexibilita designu (lze vyrobit v mnoha tvarech a velikostech)	Nutnost ochranné elektroniky (BMS) pro bezpečný provoz

🔥 Bezpečnost a rizika – Tepelný únik

Největším rizikem spojeným s Li-ion bateriemi je jev zvaný tepelný únik (thermal runaway). Jedná se o nekontrolovatelnou řetězovou reakci, při které nárůst teploty v článku způsobí další exotermické reakce, což vede k dalšímu zvyšování teploty.

Příčiny a průběh

Tepelný únik může být spuštěn:

• Mechanickým poškozením: Proražení, promáčknutí nebo rozdrcení článku může způsobit vnitřní zkrat.
• Přebitím nebo přehřátím: Nesprávné nabíjení nebo vystavení vysoké teplotě.
• Výrobní vadou: Mikroskopické nečistoty mohou způsobit zkrat uvnitř článku.

Během tohoto procesu dochází k rozkladu elektrolytu, uvolňování hořlavých plynů a prudkému nárůstu tlaku a teploty, což může vést k otoku článku, úniku kouře, požáru a v extrémních případech i k explozi. Pro minimalizaci těchto rizik je každá Li-ion baterie vybavena řídicím systémem baterie (BMS – Battery Management System), který monitoruje napětí, proud a teplotu jednotlivých článků a v případě anomálie je schopen baterii odpojit.

♻️ Budoucnost a recyklace

Vývoj Li-ion technologií se zaměřuje na zvýšení hustoty energie, životnosti, bezpečnosti a snížení nákladů.

• Baterie s pevným elektrolytem (Solid-State Batteries): Jsou považovány za svatý grál bateriové technologie. Nahrazením hořlavého kapalného elektrolytu pevným materiálem slibují vyšší bezpečnost, delší životnost a potenciálně vyšší hustotu energie.
• Nové chemie: Výzkum se soustředí na anody s vyšším podílem křemíku (který pojme více lithia než grafit) a na katody bez kobaltu.

S masivním nástupem elektromobility se stává klíčovou otázkou recyklace. Cílem je získat zpět cenné kovy (lithium, kobalt, nikl, měď) a snížit tak závislost na těžbě a dopad na životní prostředí. Proces je technicky náročný, ale rychle se rozvíjí nová průmyslová odvětví zaměřená na efektivní a udržitelnou recyklaci Li-ion baterií.

Pro laiky

Představte si Li-ion baterii jako houpačku v parku.

• Nabíjení: Když baterii nabíjíte, je to jako byste všechny děti (ionty lithia) z jedné strany houpačky (z katody) přesunuli na druhou stranu (do anody) a drželi je tam nahoře. Vložili jste do toho energii.
• Vybíjení (používání): Jakmile nabíječku odpojíte a zapnete telefon, pustíte houpačku. Děti (ionty lithia) se přirozeně a s radostí houpou zpět na druhou stranu (na katodu). Tento pohyb – tento "proud" dětí – je elektrická energie, která napájí vaše zařízení.
• Životnost: Po několika tisících zhoupnutí se houpačka trochu opotřebuje a už se nedostane tak vysoko jako na začátku. To je důvod, proč starší baterie vydrží méně.