Kateri element se uporablja v baterijah? Baterije poganjajo skoraj vse, kar danes uporabljamo - od pametnih telefonov, prenosnih računalnikov do električnih vozil in obsežnih sistemov za shranjevanje električne energije. Toda ali ste se kdaj zares ustavili in se vprašali, kateri elementi dejansko omogočajo delovanje baterije? Na primer, kaj je v resnici znotraj škatlo, ki omogoča shranjevanje in sproščanje energije, kadar koli jo potrebujete?
Če razumete kemijsko sestavo baterij, ne potešite le radovednosti, temveč pridobite vpogled v njihovo delovanje, varnost in resnične izzive, ki jih prinašajo za trajnostni razvoj.
V tem vodniku so predstavljeni ključni elementi, ki so sestavni del različnih vrst baterij, zakaj so ti posebni materiali pomembni, kako vplivajo na delovanje in varnost baterij ter kakšne alternative znanstveniki razvijajo za shranjevanje energije v prihodnosti. Če želite vedeti ne le kaj je v notranjosti vendar zakaj ti materiali so pomembni, vas čaka koristno branje.
12V 200ah natrijeva ionska baterija
Kamada Power 10kWh domača natrijeva baterija
Kateri so ključni elementi, ki se uporabljajo v baterijah?
Baterije shranjujejo energijo kemično in jo sproščajo kot električno energijo z elektrokemičnimi reakcijami med dvema elektrodama - anodo in katodo - z elektrolitom med njima. Vendar gre za to, da elementi ki tvorijo te elektrode, v celoti določajo, kako dobro deluje baterija.
Katere elemente običajno uporabljajo današnje baterije? Ti elementi se pojavljajo najpogosteje:
- Litij (Li): Ta je zvezda litij-ionskih baterij. Je zelo lahka in vsebuje veliko energije na gram.
- Svinec (Pb): Najdete ga v starejših svinčevih akumulatorjih, ki se pogosto uporabljajo v avtomobilih ali v napravah za rezervno napajanje.
- Nikelj (Ni): Ta kovina povečuje življenjsko dobo in vzdržljivost baterij NiCd in NiMH.
- Kobalt (Co): Stabilizira številne litij-ionske katode in povečuje njihovo energijo, vendar ima svojo ceno.
- Mangan (Mn): Pomaga zmanjšati stroške in zagotavlja večjo varnost litijevih baterij.
- Kadmij (Cd): Nekoč je bil priljubljen v baterijah NiCd, zdaj pa se ga izogibajo, ker je strupen.
- Cink (Zn): Je poceni in varen, pogosto se uporablja v alkalnih in cinkovo-zračnih baterijah.
- Grafit (C): Ta tvori dobro anodo v litij-ionskih baterijah.
- Žveplo (S): Novejši katodni material za litij-žveplove baterije z velikim energetskim potencialom.
- Natrij (Na): Raziskovalcem je všeč ta za natrijevo-ionske baterije. Je povsod in stane manj.
Vsak od teh elementov ima zelo specifično vlogo pri delovanju baterije, njeni življenjski dobi, varnosti in ceni. Izbira ni naključna, temveč strateška.
Tabela 1: Pogosti elementi baterije in njihove ključne lastnosti
| Element | Osnovni tipi baterij | Glavne prednosti | Glavni pomisleki |
|---|
| Litij | Litij-ionski | Visoka gostota energije, svetloba | Etično rudarjenje, stroški |
| Vodilni | Svinčeva kislina | Nizka cena, visok prenapetostni tok | Težki, strupeni |
| Nikelj | NiCd, NiMH | Trpežen, dobra življenjska doba cikla | Toksičnost (Cd v NiCd), stroški |
| Kobalt | Litij-ionske katode | Stabilizira katodo, energijo | Visoki stroški, etična vprašanja |
| Mangan | Litij-ionske katode | Varnost, zmanjšanje stroškov | Zmerna energijska gostota |
| Kadmij | NiCd | Trajno | Zelo strupeno |
| Cink | Alkalni, cinkov zrak | Poceni, varno | Omejena možnost polnjenja |
| Grafit | Litij-ionske anode | Stabilna interkalacija litija | Omejena zmogljivost |
| Žveplo | Litij-žveplo | Zelo visoka teoretična energija | Vprašanja v zvezi z življenjskim ciklom |
| Natrij | Natrijevi ioni | Obilo, nizka cena | Manjša gostota energije |
Kako različne vrste baterij uporabljajo različne elemente
Kemijska sestava baterij se spreminja glede na vsak primer uporabe - odvisno od stroškov, potreb po energiji in zmogljivosti. Oglejmo si najpogostejše vrste in elemente, ki jih vsebujejo:
1. Litij-ionske baterije (Li-ion)
Vključeni elementi: Litij, kobalt, nikelj, mangan, grafit
Litij-ionske baterije se zdaj uporabljajo v vseh napravah, od telefonov do električnih vozil, predvsem zato, ker imajo visoko gostoto energije (150-250 Wh/kg) in dobro življenjsko dobo. Litijevi ioni se gibljejo med grafitno anodo in katodo, izdelano iz materialov, kot so litijev kobaltov oksid (LiCoO₂), litijev nikelj manganov kobaltov oksid (NMC) ali litijev železov fosfat (LFP).
- Kobalt pomaga stabilizirati katodo, vendar je povezan s stroški in človekovimi pravicami.
- Nikelj povečuje zmogljivost in skladiščenje energije.
- Mangan izboljša varnost, saj poveča toplotno odpornost.
- Grafit med polnjenjem deluje kot stabilna podlaga za litijeve ione.
Čeprav te kombinacije dobro delujejo, industrija zdaj poskuša zmanjšati uporabo kobalta zaradi stroškov in etičnosti.
2. Kislinske baterije
Vključeni elementi: Svinec, žveplova kislina
Ljudje se še vedno zanašajo na svinčene akumulatorje za zagon avtomobilskih motorjev in napajanje varnostnih kopij - predvsem zato, ker so poceni in zanesljivi. Njihova katoda uporablja svinčev dioksid, anoda pa gobast svinec v žveplovi kislini.
Kljub njihovi starosti jih uporabniki uporabljajo zaradi njihove cenovne dostopnosti in možnosti recikliranja.
3. Nikelj-kadmijeve baterije (NiCd)
Vključeni elementi: Nikelj, kadmij
Baterije NiCd lahko dolgo zdržijo in prenesejo zahtevno uporabo, vendar so zaradi strupenosti kadmija škodljive. Zato se večina industrijskih panog počasi umika od njih.
Vključeni elementi: Nikelj, redke zemeljske kovine
Akumulatorji NiMH so nadomestili NiCd v številnih elektronskih napravah in hibridih. So varnejše in okolju prijaznejše, saj uporabljajo elektrode iz nikljevega hidroksida in kovinskega hidrida.
5. Alkalne baterije
Vključeni elementi: Cink, manganov dioksid
Te baterije so primerne za daljinske upravljalnike in svetilke. Uporabljajo cinkovo anodo, manganovo katodo in kalijev hidroksid kot elektrolit. Ljudje jih imajo radi zaradi njihovega roka trajanja in cene.
Tabela 2: Primerjava glavnih vrst baterij in njihovih ključnih parametrov
| Vrsta baterije | Energijska gostota (Wh/kg) | Življenjska doba cikla (cikli) | Stroški | Vpliv na okolje |
|---|
| Litij-ionski | 150-250 | 500-2000 | Visoka | Zmerni, etični pomisleki |
| Svinčevo-kislinski | 30-50 | 200-500 | Nizka | Strupene kovine, ki jih je mogoče reciklirati |
| Nikelj-kadmij | 45-80 | 1000-2000 | Srednja | Strupeni kadmij |
| Nikljev kovinski hidrid | 60-120 | 500-1000 | Srednja | Varnejši kot NiCd |
| Alkalni | 100-150 (brez ponovnega polnjenja) | NI RELEVANTNO | Nizka | Za enkratno uporabo, omejeno recikliranje |
Zakaj so izbrani ti elementi?
Proizvajalci baterij izbirajo elemente na podlagi več prekrivajočih se razlogov:
- Elektrokemično obnašanje: Elementi za svoje delovanje potrebujejo ugodne redoks potenciale. Zaradi majhne mase in visoke reaktivnosti je litij odličen za to.
- Shranjevanje energije: Nekateri materiali vsebujejo več soka kot drugi. Tu vodita litij in nikelj.
- Stabilnost: Baterije morajo biti odporne na vročino, mraz in kemične obremenitve, ne da bi se pokvarile ali povzročile požar.
- Cena in razpoložljivost: Bolj ko je elementa v izobilju, manj stane izdelava baterij z njim.
- Varnost in etika: Nekateri elementi, kot sta kadmij ali kobalt, povzročajo zdravstvene in delovne težave, zato jih podjetja poskušajo nadomestiti.
Kobalt na primer sicer izboljšuje energijo in strukturo baterij, vendar je zaradi stroškov in težav z rudarjenjem v prihodnosti manj privlačen.
Vsak element spremeni delovanje baterije v resničnem življenju:
Energijska gostota in zmogljivost
- Baterije, bogate z nikljem, lahko dosežejo več kot 250 Wh/kg, kar je idealno za električne avtomobile z dolgim dosegom.
- Svinčevo-kislinski akumulatorji imajo veliko manjšo gostoto energije, vendar so primerni za kratkotrajno uporabo ali uporabo z velikim številom amperov.
Stopnje polnjenja/praznjenja
- Kobalt in nikelj omogočata hitro polnjenje in stabilno delovanje.
- Grafitne anode omogočajo hiter pretok litija v baterijo in iz nje, kar izboljša čas polnjenja.
Varnost in toplotna odpornost
- Zaradi manganove in LFP kemije so baterije bolj odporne proti ognju.
- S svincem in kadmijem ravnamo previdno zaradi njunih strupenih učinkov na ljudi in okolje.
Toksičnost in odpadki
- Elementi, kot sta kadmij in svinec, so nevarni, če niso pravilno odstranjeni.
- Recikliranje litij-ionskih baterij se zdaj izboljšuje, kar pomaga pri pridobivanju kovin in zmanjšuje vpliv odlagališč.
Okoljski in etični vidiki baterijskih elementov
Pridobivanje določenih materialov za baterije je več kot le izkopavanje:
- Kobalt iz DR Kongo je povezana z nevarnimi delovnimi razmerami in delom otrok.
- Pridobivanje litija v suhih krajih vpliva na zaloge vode in skupnosti.
- Nikelj in redke zemeljske kovine prinašajo geopolitične izzive in izzive v dobavni verigi.
- Tehnologija recikliranja še vedno zaostaja za povpraševanjem, vendar je za prihodnost nujna.
Vlade, zlasti v EU, zdaj silijo proizvajalce baterij k čistejšemu pridobivanju virov in krožnim praksam.
Novi alternativni elementi v baterijah naslednje generacije
Da bi rešili današnja vprašanja glede stroškov, etike in oskrbe, raziskovalci iščejo novejše možnosti:
Natrijevo-ionske baterije
Natrij stane manj in ga je lažje dobiti kot litij. Ti natrijeve ionske baterije morda ne bodo zadržali toliko energije (100-160 Wh/kg), vendar bi se lahko dobro obnesli pri velikih skladiščnih napravah.
Litij-žveplove baterije
Ti obljubljajo do več kot 400 Wh/kg z uporabo žvepla, ki je poceni in ga je v izobilju. Toda žveplove baterije še vedno izgubljajo zmogljivost sčasoma.
Grafenske baterije
Z dodajanjem grafena se te baterije hitreje polnijo in trajajo dlje, čeprav je njihova izdelava še vedno draga.
Polprevodniške baterije
Namesto tekočine uporabljajo trdne elektrolite, zato so varnejši in imajo večjo energijsko gostoto.
Baterije na osnovi cinka
Ti so poceni, nestrupeni in jih je enostavno reciklirati. Cink-zračne baterije bi lahko v bližnji prihodnosti napajale domove in omrežja.
Baterije brez kobalta
Baterije, ki uporabljajo kemikalije LFP ali kemikalije z visoko vsebnostjo niklja, se popolnoma izognejo kobaltu, kar pripomore k nižjim stroškom in večji varnosti.
Baterije iz železa in zraka
Z uporabo železa in zraka naj bi zagotovili dolgotrajno skladiščenje z izjemno nizkimi stroški. Vendar potrebujejo boljšo možnost polnjenja in gostoto energije.
Preglednica 3: Nove tehnologije baterij in njihov potencial
| Vrsta baterije | Teoretična gostota energije (Wh/kg) | Glavne prednosti | Glavni izzivi |
|---|
| Natrijevo-ionski | 100-160 | Nizki stroški, bogati viri | Manjša gostota energije |
| Litij-žveplo | 400+ | Zelo visoka gostota energije | Življenjska doba cikla, premikanje polisulfida |
| z grafenom ojačan Li | 250+ | Hitro polnjenje, dolga življenjska doba cikla | Zahtevnost proizvodnje |
| Polprevodniški sistem | 300-500 | Visoka varnost, gostota energije | Skalabilnost, stroški |
| Cink-zrak | 300-400 | Varno, poceni, da se reciklira | Polnjenje, izhodna moč |
| Iron-Air | 300+ | Zelo nizki stroški, veliko materialov | Gostota moči, možnost polnjenja |
Zaključek
Ko veste, kateri elementi so v baterijah in zakaj so tam, začnete razumeti kompromise, ki jih morajo sprejeti proizvajalci. Zdaj morda prevladuje litij, vendar bi lahko v prihodnosti vodili natrij, žveplo in cink.
Prihodnost baterij ne bo odvisna le od kemije, temveč tudi od znanosti, etike in pametnega pridobivanja.
POGOSTA VPRAŠANJA
Kateri element se najpogosteje uporablja v litij-ionskih baterijah?
To bi bil litij. Toda v katodah uporabljajo tudi kobalt, nikelj in mangan, za anodo pa grafit.
Ali so litijeve baterije najboljša izbira za vse aplikacije?
Ne. Za stvari, kot je stacionarno skladiščenje ali uporaba z nižjim proračunom, bi bila morda boljša svinčevo-kislinska ali natrijevo-ionska baterija.
Ali lahko proizvajalci izdelujejo baterije brez strupenih elementov, kot je kobalt?
Da, in mnogi to že počnejo, pri čemer se vse bolj uveljavljajo kemikalije z visoko vsebnostjo niklja in LFP.
Kako izbira elementov vpliva na življenjsko dobo baterije?
Boljši materiali se manj razgrajujejo. Mangan in železov fosfat na primer pripomoreta k daljši življenjski dobi baterij.
Katere so najvarnejše kemijske sestave baterij?
Polprevodniške baterije in baterije LFP zagotavljajo boljšo toplotno varnost in manjše tveganje požara kot litij-ionske baterije, ki vsebujejo veliko kobalta.