Jaký prvek se používá v bateriích? Baterie pohánějí téměř vše, co dnes používáme - od chytrých telefonů, notebooků až po elektromobily a rozsáhlé systémy pro ukládání energie do sítě. Ale už jste se někdy opravdu zastavili a položili si otázku, jaké prvky vlastně zajišťují fungování baterie? Třeba co je vlastně uvnitř tu krabičku, která umožňuje ukládat a uvolňovat energii, kdykoli ji potřebujete?
Když porozumíte chemickému složení baterií, neuspokojíte pouze zvědavost - získáte přehled o jejich výkonu, bezpečnosti a skutečných výzvách v oblasti udržitelnosti, které přinášejí.
V této příručce se dozvíte, jaké klíčové prvky se používají v různých typech baterií, proč jsou tyto konkrétní materiály důležité, jaký mají vliv na funkci a bezpečnost baterií a jaké alternativy nyní vědci vyvíjejí pro budoucí skladování energie. Pokud chcete vědět nejen co je uvnitř ale proč na těchto materiálech záleží, čeká vás užitečné čtení.
12V 200ah sodíková baterie
Kamada Power 10kWh domácí sodíková baterie
Jaké jsou hlavní prvky používané v bateriích?
Baterie uchovávají energii chemickou cestou a uvolňují ji ve formě elektřiny prostřednictvím elektrochemických reakcí mezi dvěma elektrodami - anodou a katodou - s elektrolytem mezi nimi. Ale je tu jedna věc: prvky které tvoří tyto elektrody, zcela ovlivňují fungování baterie.
Jaké prvky se tedy obvykle používají v dnešních bateriích? Tyto prvky se objevují nejčastěji:
- Lithium (Li): Tohle je hvězda lithium-iontových baterií. Je velmi lehká a na jeden gram pojme hodně energie.
- Olovo (Pb): Najdete ho ve starších olověných akumulátorech, které se často používají v automobilech nebo v záložních zdrojích.
- Nikl (Ni): Tento kov zvyšuje životnost cyklů a odolnost baterií NiCd a NiMH.
- Kobalt (Co): Stabilizuje mnoho lithium-iontových katod a zvyšuje jejich energii - ale za cenu.
- Mangan (Mn): Pomáhá snižovat náklady a zvyšuje bezpečnost lithiových baterií.
- Kadmium (Cd): Kdysi byl oblíbený v NiCd bateriích, nyní se mu vyhýbáme, protože je toxický.
- Zinek (Zn): Je levný a bezpečný, běžně se používá v alkalických a zinkovzdušných bateriích.
- Grafit (C): Ta tvoří základní anodu lithium-iontových baterií.
- Síra (S): Novější katodový materiál pro lithium-sírové baterie s velkým energetickým potenciálem.
- Sodík (Na): Výzkumníci mají rádi tento projekt pro sodíkové baterie. Je všude a stojí méně.
Každý z těchto prvků má zcela specifický význam pro to, jak baterie funguje, jak dlouho vydrží, jak je bezpečná a kolik stojí. Výběr není náhodný - je strategický.
Tabulka 1: Běžné prvky baterií a jejich klíčové vlastnosti
| Prvek | Základní typy baterií | Hlavní výhody | Hlavní obavy |
|---|
| Lithium | Lithium-iontové | Vysoká energetická hustota, světlo | Etická těžba, náklady |
| Olovo | Olověný akumulátor | Nízké náklady, vysoký nárazový proud | Těžké, toxické |
| Nikl | NiCd, NiMH | Odolnost, dobrá životnost | Toxicita (Cd v NiCd), náklady |
| Kobalt | Lithium-iontové katody | Stabilizuje katodu, energii | Vysoké náklady, etické problémy |
| Mangan | Lithium-iontové katody | Bezpečnost, snížení nákladů | Mírná energetická hustota |
| Kadmium | NiCd | Odolné | Vysoce toxický |
| Zinek | Alkalický, zinkovzdušný | Levné, bezpečné | Omezená možnost dobíjení |
| Grafit | Lithium-iontové anody | Stabilní interkalace lithia | Omezená kapacita |
| Síra | Lithium-síra | Velmi vysoká teoretická energie | Problémy s životností cyklu |
| Sodík | Sodíkové ionty | Hojné množství, nízké náklady | Nižší hustota energie |
Jak různé typy baterií používají různé prvky
Chemické složení baterií se mění s každým případem použití - v závislosti na nákladech, potřebě energie a výkonu. Projděme si nejběžnější typy a prvky, které jsou v nich obsaženy:
1. Lithium-iontové baterie (Li-ion)
Příslušné prvky: Lithium, kobalt, nikl, mangan, grafit
Lithium-iontové baterie se dnes používají ve všech zařízeních od telefonů až po elektromobily, a to především proto, že mají vysokou hustotu energie (150-250 Wh/kg) a dobrou životnost. Ionty lithia se pohybují mezi grafitovou anodou a katodou vyrobenou z materiálů, jako je oxid lithiumkobaltový (LiCoO₂), oxid lithiumnikl-mangan-kobaltový (NMC) nebo fosforečnan lithno-železitý (LFP).
- Kobalt pomáhá stabilizovat katodu, ačkoli je spojen s náklady a lidskými právy.
- Nikl zvyšuje kapacitu a skladování energie.
- Mangan zvyšuje bezpečnost tím, že zvyšuje tepelnou odolnost.
- Grafit funguje jako stabilní základna pro ionty lithia během nabíjení.
Ačkoli tyto kombinace fungují dobře, průmysl se nyní snaží omezit používání kobaltu jak z hlediska nákladů, tak z hlediska etiky.
2. Olověné baterie
Příslušné prvky: Olovo, kyselina sírová
Lidé se stále spoléhají na olověné baterie pro startování motorů automobilů a napájení nouzových záloh - většinou proto, že jsou levné a spolehlivé. Jejich katoda využívá oxid olovnatý a anoda houbovité olovo v kyselině sírové.
Navzdory jejich stáří si je uživatelé oblíbili, protože jsou recyklovatelné a cenově dostupné.
3. Nikl-kadmiové baterie (NiCd)
Příslušné prvky: Nikl, kadmium
NiCd baterie vydrží dlouho a zvládnou náročné používání, ale kadmium je kvůli své toxicitě škodlivé. Z tohoto důvodu od nich většina průmyslových odvětví pomalu ustupuje.
Příslušné prvky: Nikl, kovy vzácných zemin
NiMH baterie nahradily NiCd v mnoha elektronických zařízeních a hybridech. Jsou bezpečnější a ekologičtější, používají hydroxid niklu a metalhydridové elektrody.
5. Alkalické baterie
Příslušné prvky: Zinek, oxid manganičitý
Tyto baterie se používají například v dálkových ovladačích a svítilnách. Používají zinkovou anodu, manganovou katodu a jako elektrolyt hydroxid draselný. Lidé si je oblíbili pro jejich trvanlivost a cenu.
Tabulka 2: Srovnání hlavních typů baterií a jejich klíčových ukazatelů
| Typ baterie | Energetická hustota (Wh/kg) | Životnost cyklu (cykly) | Náklady | Dopad na životní prostředí |
|---|
| Lithium-iontové | 150-250 | 500-2000 | Vysoká | Mírné, etické obavy |
| Olověné kyseliny | 30-50 | 200-500 | Nízká | Toxické kovy, recyklovatelné |
| Nikl-kadmium | 45-80 | 1000-2000 | Střední | Toxické kadmium |
| Hydrid niklu a kovu | 60-120 | 500-1000 | Střední | Bezpečnější než NiCd |
| Alkalické | 100-150 (bez dobíjení) | NEUPLATŇUJE SE | Nízká | Jednorázové, omezená recyklace |
Proč jsou tyto prvky vybrány?
Výrobci baterií vybírají prvky na základě několika překrývajících se důvodů:
- Elektrochemické chování: Prvky potřebují ke své funkci příznivé redoxní potenciály. Nízká hmotnost lithia a jeho vysoká reaktivita jsou pro tento účel ideální.
- Skladování energie: Některé materiály mají více šťávy než jiné. Lithium a nikl zde vedou.
- Stabilita: Baterie musí být odolné vůči teplu, chladu a chemickému namáhání, aniž by se rozbily nebo způsobily požár.
- Cena a dostupnost: Čím je prvek hojnější, tím méně stojí výroba baterií z něj.
- Bezpečnost a etika: Některé prvky, jako kadmium nebo kobalt, vyvolávají zdravotní a pracovní problémy, a proto se je nyní společnosti snaží nahradit.
Například kobalt sice zlepšuje energii a strukturu baterií, ale jeho cena a problémy s těžbou ho činí do budoucna méně atraktivním.
Každý prvek mění fungování baterie v reálném životě:
Energetická hustota a kapacita
- Baterie s vysokým obsahem niklu mohou dosáhnout hodnoty přes 250 Wh/kg - ideální pro elektromobily s dlouhým dojezdem.
- Olověné akumulátory mají mnohem nižší energetickou hustotu, ale dobře se hodí pro krátkodobé použití nebo použití s velkým počtem ampér.
Rychlost nabíjení/vybíjení
- Kobalt a nikl umožňují rychlé nabíjení a stabilní výkon.
- Grafitové anody umožňují rychlý pohyb lithia dovnitř a ven, což zlepšuje dobu nabíjení.
Bezpečnost a tepelná odolnost
- Manganové a LFP chemické složení zvyšuje odolnost baterií proti požáru.
- S olovem a kadmiem se zachází opatrně kvůli jejich toxickým účinkům na člověka a životní prostředí.
Toxicita a odpady
- Prvky jako kadmium a olovo jsou nebezpečné, pokud nejsou správně zlikvidovány.
- Recyklace lithium-iontových baterií se nyní zlepšuje, což pomáhá získávat kovy a snižovat dopad na skládky.
Environmentální a etické aspekty bateriových prvků
Získávání některých materiálů pro baterie vyžaduje více než jen jejich vykopání:
- Kobalt z Konžské demokratické republiky je spojována s nebezpečnými pracovními podmínkami a dětskou prací.
- Těžba lithia na suchých místech ovlivňuje zásoby vody a obce.
- Nikl a kovy vzácných zemin přinášejí geopolitické problémy a problémy v dodavatelském řetězci.
- Recyklační technologie stále zaostávají za poptávkou, ale pro budoucnost jsou nezbytné.
Vlády, zejména v EU, nyní tlačí výrobce baterií k čistšímu získávání surovin a oběhovým postupům.
Nové alternativní prvky v bateriích nové generace
Pro řešení dnešních problémů s náklady, etikou a zásobováním se výzkumníci zabývají novějšími možnostmi:
Sodíko-iontové baterie
Sodík stojí méně a je snadněji dostupný než lithium. Tyto stránky sodíkové baterie sice neudrží tolik energie (100-160 Wh/kg), ale mohly by dobře fungovat pro velké skladovací sestavy.
Lithium-sírové baterie
Ty slibují až 400+ Wh/kg při použití síry, která je levná a hojná. Sírové baterie se však stále potýkají se ztrátou kapacity v průběhu času.
Grafenové baterie
Díky přidání grafenu se tyto baterie nabíjejí rychleji a mají delší životnost - jejich výroba je však stále drahá.
Polovodičové baterie
Místo kapaliny používají pevné elektrolyty, takže jsou bezpečnější a energeticky vydatnější.
Baterie na bázi zinku
Jsou levné, netoxické a snadno se recyklují. Zinko-vzduchové baterie by mohly v blízké budoucnosti napájet domácnosti a rozvodné sítě.
Bezkobaltové baterie
Baterie využívající chemické složky LFP nebo s vysokým obsahem niklu se zcela vyhýbají kobaltu, což přispívá ke snížení nákladů a zvýšení bezpečnosti.
Baterie Iron-Air
Ty využívají železo a vzduch a jejich cílem je zajistit dlouhodobé skladování při velmi nízkých nákladech. Potřebují však lepší dobíjecí schopnost a hustotu energie.
Tabulka 3: Nové technologie baterií a jejich potenciál
| Typ baterie | Teoretická hustota energie (Wh/kg) | Hlavní výhody | Hlavní výzvy |
|---|
| Sodíkové ionty | 100-160 | Nízké náklady, dostatek zdrojů | Nižší hustota energie |
| Lithium-síra | 400+ | Velmi vysoká hustota energie | Životnost cyklu, kyvadlová doprava polysulfidů |
| Grafenem zesílený Li | 250+ | Rychlé nabíjení, dlouhá životnost | Složitost výroby |
| Polovodičové | 300-500 | Vysoká bezpečnost, hustota energie | Škálovatelnost, náklady |
| Zinek-vzduch | 300-400 | Bezpečné, levné, recyklovatelné | Dobíjení, výkon |
| Iron-Air | 300+ | Velmi nízké náklady, dostatek materiálů | Hustota výkonu, dobíjení |
Závěr
Jakmile zjistíte, jaké prvky jsou součástí baterií a proč tam jsou, začnete chápat kompromisy, které musí výrobci dělat. Nyní sice převládá lithium, ale v budoucnu by mohly mít vedoucí postavení sodík, síra a zinek.
Budoucnost baterií nebude záviset jen na chemii, ale také na vědě, etice a chytrých zdrojích.
ČASTO KLADENÉ DOTAZY
Jaký prvek se nejčastěji používá v lithium-iontových bateriích?
To by bylo lithium. Ale v katodách se používá také kobalt, nikl a mangan - a na anodu grafit.
Jsou lithiové baterie nejlepší volbou pro všechny aplikace?
Ne. Pro stacionární úložiště nebo nízkorozpočtové použití by mohly být vhodnější olověné nebo sodíkové ionty.
Mohou výrobci vyrábět baterie bez toxických prvků, jako je kobalt?
Ano, a mnoho z nich to již dělá - s LFP a chemickými látkami s vysokým obsahem niklu, které získávají na popularitě.
Jak ovlivňuje výběr prvků životnost baterie?
Lepší materiály se méně rozkládají. Například mangan a fosforečnan železa přispívají k delší životnosti baterií.
Jaké jsou nejbezpečnější chemické složení baterií?
Polovodičové baterie a baterie LFP nabízejí lepší tepelnou bezpečnost a menší riziko požáru než kobaltové lithium-iontové baterie.