Čudežnih baterij še ni na obzorju

Litij-ionska tehnologija na skrajnih mejah, kaj obeta prihodnost

Objavljeno
22. december 2018 06.00
Posodobljeno
22. december 2018 16.25
Večina današnjih raziskav na področju litij-ionskih akomulatorjev gre v postopno zmanjševanje vsebnosti kobalta. Foto Shutterstock
Michel Adamič
Michel Adamič
Iz leta v leto postaja bolj jasno, da je prihodnost cestnega prometa električna. Če je bila še včeraj to tema samo za navdušence, se danes o električnih avtomobilih govori povsod. Kljub vsem očitnim prednostim električnega pogona pred klasičnimi motorji z notranjim zgorevanjem pa se električna vozila le počasi prebijajo na naše ceste.

image
Foto Jan Suntajs
Michel Adamič je magistrski študent fizike na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, zadnjih pet let pa se raziskovalno ukvarja z baterijami in električnimi avtomobili na Kemijskem inštitutu v Ljubljani. Je prejemnik štipendije za nadarjene Mestne občine Ljubljana.


Eden glavnih problemov je še vedno baterija, srce vsakega električnega avtomobila, ki hkrati prispeva levji delež k ceni vozila. Ravno baterija je vir inspiracije za mite in strahove okoli uporabe električnih vozil; o njihovem pravem dosegu, okoljski sprejemljivosti, življenjski dobi. Da pa se o teh stvareh lahko pogovarjamo, moramo najprej vedeti, iz česa je avtomobilska baterija sploh sestavljena in kako deluje.

  • Pri večanju kapacitete z litij-ionskimi akumulatorji se približujemo skrajnim teoretičnim mejam.
  • Večina raziskav na področju litij-ionskih akumulatorjev gre v postopno zmanjševanje vsebnosti kobalta.
  • Razvoj gre v smeri plastičnih litij-ionskih baterij, ki bi namesto tekočega elektrolita uporabljale trden polimer.
  • Trenutno najbolj obetavna sistema naslednje generacije sta litij-žveplo in litij-zrak.

 

Zanesljivi, a skromni svinec


Baterije za električna vozila spadajo v družino akumulatorjev, torej baterij, ki jih lahko ponovno napolnimo. Vsi poznamo svinčev akumulator, ki ga uporabljamo v klasičnem avtomobilu za zagon motorja. Čeprav bo ta tehnologija kmalu praznovala 160 let, svinčeve akumulatorje še vedno množično uporabljamo zaradi njihove enostavnosti, zanesljivosti, nizke cene in sposobnosti zagotavljanja velikih zagonskih tokov. Kot pogonske baterije jih še danes najdemo v viličarjih, avtomobilčkih za golf in invalidskih vozičkih, za električne avtomobile pa svinčevi akumulatorji niso primerni zaradi prenizkega razmerja med energijsko kapaciteto in težo, ki ga strokovno imenujemo specifična energija. Specifična energija, ki jo izrazimo z enoto vatna ura na kilogram (Wh/kg), nam pove, koliko električne energije v vatnih urah lahko akumulator shrani na kilogram svoje mase. Pri svinčevem je ta številka skromnih 40 Wh/kg, zato bi bil električni avto s takšno baterijo zelo težek in imel bi slab doseg.

40

Wh/kg je specifična energija svinčevih akumulatorjev.
Vidnejši napredek se je zgodil konec 80. let z izumom nikelj-metal hidridnega (Ni-MH) akumulatorja, ki je v bistvu izboljšana različica nikelj-kadmijevega (Ni-Cd) akumulatorja. Nova tehnologija je energijsko kapaciteto dvignila na okoli 100 Wh/kg, kar pa je že zanimivo za električna vozila. Primera uporabe nikelj-metal hidridnih baterij v električnem avtomobilu sta legendarni EV1 General Motorsa in originalni Toyotin hibrid prius.


Litij-ionska revolucija


100

Wh/kg je specifična energija hibridnih nikelj-metalnih akumulatorjev.
V 90. letih pa se je na področju baterij zgodila revolucija – rojstvo litij-ionskega akumulatorja. Razvoj se je razmahnil in ti se danes uporabljajo tako rekoč povsod, od pametnih telefonov in računalnikov do električnih avtomobilov, ki jih zdaj poganjajo izključno litij-ionski akumulatorji. Vzrok je v neprimerljivo visoki energijski kapaciteti, ki za uporabo v električnih vozilih dosega 200 Wh/kg.

Litij-ionski akumulator deluje na temelju premikanja litijevih ionov Li+ iz anode (negativne elektrode) na katodo (pozitivno elektrodo). Za obe elektrodi je ključen gostiteljski material, ki lahko sprejme litijeve ione. Na anodi se uporablja grafit, na katodi pa tipično neki litiiran oksid prehodne kovine, na primer litij-kobaltov oksid LiCoO2 (skrajšano LCO). Tako anodni kot katodni

200

Wh/kg je specifična energija litij-ionskih akumulatorjev.
material sta zmešana z ogljikom in nanesena na kovinski elektrodi, bakreno (-) in aluminijasto (+). Elektrodi ločuje polimerni separator, ki je prepojen z organskim elektrolitom.

Litij-ionskih akumulatorjev ne smemo mešati z litijevimi baterijami, kar je med laiki pogost nesporazum. Litijeve baterije so primarne, kar pomeni, da se jih ne da polniti, in za anodo namesto grafita uporabljajo kovinski litij. Najdemo jih recimo na matični plošči računalnika v obliki gumbaste CMOS-baterije z oznako CR. Litij-ionski akumulatorji kovinskega litija ne vsebujejo. Na youtubu najdemo veliko pogumnih raziskovalcev, ki v razdrtih litij-ionskih baterijah (zaman) iščejo litij.

Eksplozija za radovedne

Če že razdiramo litij-ionsko baterijo, kar ni priporočljivo, bomo najprej zaznali oster vonj hlapnega elektrolita, zagledali pa le bakreno in alufolijo, polno črnega prahu, in nekaj, kar je videti kot plastična vrečka (separator). Pri takšni »operaciji« mora biti baterija popolnoma izpraznjena, sicer lahko nastane spektakularna eksplozija oziroma požar.


Litij-ionskih akumulatorjev je veliko vrst, razlikujejo pa se po uporabljenem katodnem materialu, ki diktira glavne lastnosti (in s tem kapaciteto) baterije. Kot že omenjeno, so originalni litij-ionski akumulatorji uporabljali LCO, ki pa se v električnih vozilih ne uporablja predvsem zaradi varnostnih razlogov. Kmalu so se pojavili materiali na temelju drugih kovin, na primer litij-manganov oksid LiMn2O4 (LMO), ki ga odlikuje velika tokovna zmogljivost in se pogosto uporablja v modelarstvu. Zelo znan je tudi litij železov fosfat LiFePO4 (LFP), ki slovi po dolgi življenjski dobi, poleg tega je priljubljen zaradi nižje cene v primerjavi z drugimi rešitvami. Problem teh materialov je, da imata relativno nizko kapaciteto, zato se njuna uporaba v električnih vozilih opušča.

Tako rekoč vsi moderni litij-ionski akumulatorji, vključno s tistimi v električnih vozilih, danes temeljijo na hibridnih katodnih mešanicah, ki vsebujejo različne kovine; primera sta litij-nikelj-mangan-kobaltov oksid LiNiMnCoO2 (NMC) in litij-nikelj-kobalt-aluminijev oksid LiNiCoAlO2 (NCA). Odlikujejo ju visoka energijska kapaciteta in dobre tokovne zmogljivosti, predvsem prvo pa danes najdemo v večini električnih vozil.
 

Problematični kobalt


Proizvodnja električnih avtomobilov bo kot kaže še vsaj deset let temeljila na litij-ionskih tehnologijah.
Glavna težava današnje litij-ionske tehnologije in z njo povezane avtomobilske industrije je močna odvisnost od kobalta, ki je ključna komponenta katodne mešanice. V zadnjih letih poraba kobalta zaradi potreb električnih vozil skokovito narašča, večina kobaltove rude pa pride iz centralne Afrike; konkretno iz Demokratične republike Kongo, ki predstavlja znatno več kot polovico svetovne proizvodnje. Glede na razmere v tej državi je takšna rast proizvodnje litij-ionskih baterij na daljši rok nevzdržna, »umazane« baterije in s tem EV pa so zato pogosto tarča kritik javnosti. Presenetljivo v nasprotju s splošnim prepričanjem litij ni problematičen: Li-ion baterije vsebujejo zelo majhen masni delež litija, zalog te kovine pa je na svetu za vse nadaljnje potrebe več kot dovolj; redno odkrivajo tudi nove.

Večina današnjih raziskav na področju litij-ionskih akumulatorjev gre v postopno zmanjševanje vsebnosti kobalta. Originalno smo imeli NMC 111, kar pomeni atom niklja na atom mangana in atom kobalta, postopno pa se je ta delež spreminjal v korist niklja, ki poskuša nadomestiti sporni kobalt; pričakuje se, da bomo letos prešli na NMC 811. V želji po nadaljnjem povečevanju kapacitete se grafitnim anodam postopoma dodaja silicij, ki lahko absorbira več litijevih ionov. Že desetletja razvijajo tudi tako imenovano »solid state« oziroma »plastično« litij-ionsko baterijo, ki bi namesto tekočega elektrolita uporabljala trden polimer, s čimer bi se še povečala kapaciteta, prav tako bi bila večja varnost. Kljub prizadevanjem pa še ni pravega napredka, predvsem zaradi slabe ionske prevodnosti takšnih elektrolitov.

160

let je stara tehnologija svinčevih akumulatorjev.
Pri večanju kapacitete nam z litij-ionskimi akumulatorji počasi, a zanesljivo zmanjkuje manevrskega prostora, ker se bližamo teoretičnim mejam. Večina raziskav na področju baterij se zato usmerja v popolnoma nove rešitve. Trenutno najbolj obetaven sistem je litij-žveplo (Li-S), ki obljublja dva do trikrat večjo kapaciteto od litij-ionskih akumulatorjev in nižjo ceno zaradi uporabe lažje dostopnega žvepla. Še bolj drzna ideja je litij-zrak, ki bi kot katodo uporabljal kisik iz atmosfere. Poleg litija raziskujejo tudi druge kovine, na primer magnezij, natrij in aluminij.

Žal je pri vseh omenjenih sistemih še veliko tehnoloških težav, zato jih ne pričakujemo kaj kmalu na trgu. Kot kaže, bo hitro rastoča proizvodnja električnih avtomobilov še vsaj kakšnih deset let temeljila na litij-ionskih tehnologijah, padanje cen pa bo v glavnem posledica večanja proizvodnje s postavitvijo novih tovarn baterij in le v manjšem deležu znanstvenega napredka.