Baterie, w tym popularne baterie litowo-jonowe i litowo-polimerowe, są sercem współczesnej elektroniki – od smartfonów i laptopów po pojazdy elektryczne oraz inteligentne systemy magazynowania energii. W obliczu rosnących wymagań energetycznych oraz dążeń do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla, rozwój technologii magazynowania energii stał się ważnym elementem współczesnych innowacji. W artykule przedstawiamy aktualne trendy w dziedzinie baterii, ich zalety i ograniczenia oraz przykłady zastosowań istniejących ogniw. Odpowiadamy również na pytania: jak działają ogniwa, czym różnią się od siebie różne typy baterii i akumulatorów.
Jak działają ogniwa baterii?
Ogniwo to podstawowy element składowy baterii lub akumulatora, który generuje energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznych zachodzących między jego składnikami. Jest to najmniejsza jednostka zdolna do wytwarzania napięcia elektrycznego oraz kluczowy komponent w systemach magazynowania energii. Działa poprzez przekształcenie energii chemicznej w energię elektryczną w postaci prądu stałego. Podstawowym mechanizmem działania ogniwa jest różnica potencjałów między dwoma elektrodami zanurzonymi w elektrolicie. Elektrony przemieszczają się z anody do katody przez zewnętrzny obwód, co pozwala na przepływ prądu. W tym samym czasie jony w elektrolicie migrują pomiędzy elektrodami, zapewniając równowagę chemiczną. Aby osiągnąć większe napięcia lub pojemności, ogniwa są łączone w zespoły w układzie szeregowym lub równoległym. Takie konfiguracje pozwalają dostosować baterie do wymagań różnych urządzeń, zwiększając ich efektywność i wydajność.
Główne elementy ogniwa
- Anoda (elektroda ujemna) to elektroda, na której zachodzi reakcja utleniania (oddawanie elektronów). Zazwyczaj wykonana jest z metalu lub materiału redukcyjnego, który umożliwia wydajne przeprowadzanie reakcji chemicznych.
- Katoda (elektroda dodatnia) to elektroda, na której zachodzi reakcja redukcji (przyjmowanie elektronów). Najczęściej wykonuje się ją z materiałów o właściwościach utleniających, takich jak tlenki metali, co pozwala na skuteczne magazynowanie energii.
- Elektrolit to substancja przewodząca prąd elektryczny, umożliwiająca transport jonów między anodą a katodą. Może mieć różną formę – od cieczy, przez żele, aż po materiały stałe – w zależności od rodzaju ogniwa i jego zastosowania.
- Separator to cienka warstwa umieszczona między anodą a katodą, która zapobiega bezpośredniemu kontaktowi tych elektrod, unikając zwarcia. Jednocześnie separator umożliwia przepływ jonów, co jest kluczowe dla zachowania ciągłości reakcji chemicznej w ogniwie.
Rodzaje ogniw baterii – od alkalicznych po litowo-polimerowe
Ogniwa pierwotne, takie jak baterie alkaliczne czy cynkowo-powietrzne, znajdują zastosowanie w codziennych urządzeniach, takich jak piloty, zegarki czy latarki. Z kolei ogniwa wtórne, w tym akumulatory litowo-jonowe, są wykorzystywane w zaawansowanych systemach magazynowania energii, takich jak pojazdy elektryczne i systemy odnawialne.
- Ogniwa pierwotne to jednorazowe źródła energii, które po zużyciu nie mogą być ponownie naładowane. Do popularnych przykładów należą baterie typu AA i AAA, wykorzystujące ogniwa cynkowo-węglowe, alkaliczne lub cynkowo-powietrzne
- Ogniwa wtórne, zwane także akumulatorami, to ogniwa wielokrotnego użytku, które można wielokrotnie ładować dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym. Do najczęściej spotykanych typów należą akumulatory akumulatory litowo-jonowe, litowo-polimerowe, niklowo-kadmowe, niklowo-wodorkowe oraz kwasowo-ołowiowe.
W jakich formatach występują ogniwa baterii?
Ogniwa cylindryczne mają charakterystyczny cylindryczny kształt i są powszechnie stosowane w elektronice przenośnej, elektronarzędziach oraz pojazdach elektrycznych. Przykładowe rozmiary to 18650 i 21700. (Liczby te odnoszą się do wymiarów ogniwa, przy czym pierwsze dwie cyfry oznaczają średnicę w milimetrach, a kolejne trzy cyfry to długość wyrażoną w dziesiątych częściach milimetra. Na przykład ogniwo 18650 ma średnicę 18 mm i długość 65,0 mm). Jedną z ich zalet jest trwałość. Solidna, metalowa obudowa zapewnia wysoką odporność na uszkodzenia mechaniczne. Ustandaryzowane rozmiary ułatwiają produkcję i integrację w różnych aplikacjach. Dodatkowo cylindryczny kształt sprzyja efektywnemu odprowadzaniu ciepła. Do wad można zaliczyć niższą efektywność wykorzystania przestrzeni w porównaniu z innymi typami ogniw, co może prowadzić do większych rozmiarów baterii w urządzeniach o ograniczonej przestrzeni.
Ogniwa pryzmatyczne mają prostokątny kształt i są często stosowane w laptopach, pojazdach elektrycznych oraz systemach magazynowania energii. Ich optymalna konstrukcja pozwala na uzyskanie wyższej gęstości energii w porównaniu z ogniwami cylindrycznymi. Prostokątny kształt umożliwia efektywniejsze upakowanie w urządzeniach o ograniczonej przestrzeni. Jednocześnie płaska konstrukcja sprzyja efektywnemu odprowadzaniu ciepła. Do wad należą wyższe koszty produkcji oraz większa podatność na uszkodzenia mechaniczne w porównaniu z ogniwami cylindrycznymi.
Ogniwa woreczkowe są znane ze swojej elastycznej, lekkiej konstrukcji i są często stosowane w smartfonach, tabletach oraz dronach. Do ich zalet należy wysoka gęstość energii możliwa dzięki lekkiemu opakowaniu. Ich konstrukcja umożliwia również dostosowanie kształtu i rozmiaru do specyficznych wymagań urządzenia. Do wad można zaliczyć mniejszą stabilność mechaniczną oraz większą podatność na uszkodzenia fizyczne, takie jak przebicia czy pęcznienie.
Nowoczesne technologie magazynowania energii – baterie litowo-jonowe i alternatywne rozwiązania
Baterie litowo-jonowe, szeroko stosowane w smartfonach, laptopach i pojazdach elektrycznych, to rodzaj akumulatorów wykorzystujących jony litu jako nośniki ładunku elektrycznego. Charakteryzują się zastosowaniem porowatego węgla jako jednej elektrody, natomiast druga elektroda wykonana jest z tlenków metali. Każde ogniwo generuje napięcie około 3,6 V. Dzięki tej technologii możliwe jest zgromadzenie nawet dwukrotnie większej ilości energii w porównaniu z akumulatorami NiMH o identycznej wadze i wymiarach. Ich zalety:
- Wysoka gęstość energii w porównaniu do starszych technologii, takich jak akumulatory kwasowo-ołowiowe czy niklowo-kadmowe, ogniwa litowo-jonowe mogą magazynować znaczną ilość energii w stosunku do swojej wagi i objętości. Umożliwia to dłuższe działanie urządzeń przenośnych oraz większy zasięg pojazdów elektrycznych na jednym ładowaniu.
- Stabilność cykliczna i żywotność w standardowych warunkach baterie Li-ion mogą przechodzić od 300 do 1000 cykli pełnego ładowania i rozładowania, zanim ich pojemność spadnie do około 80% początkowej wartości. Ich trwałość różni się w zależności od takich czynników, jak głębokość rozładowania, temperatura pracy czy zastosowane mechanizmy ochronne.
- Niski poziom samorozładowania, baterie Li-ion tracą około 1-2% swojej pojemności miesięcznie, co jest znacznie lepszym wynikiem w porównaniu z technologiami starszej generacji, takimi jak NiMH, które tracą od 10% do 30%. Dzięki temu baterie Li-ion są szczególnie przydatne w urządzeniach rzadziej używanych.
- Wszechstronność technologii Li-ion wpływa na jej zastosowanie w szerokim zakresie urządzeń. Od elektroniki użytkowej po systemy przemysłowe i magazyny energii odnawialnej.
Wady:
- Zależność od surowców, takich jak lit i kobalt.
- Ryzyko przegrzania w bateriach litowo-jonowych wymaga zastosowania odpowiednich systemów ochronnych, które zapewniają ich bezpieczne użytkowanie, szczególnie w urządzeniach o dużym zapotrzebowaniu na energię.
Zastanawiasz się podczas zakupu, czy akumulator Li-Ion jest bezpieczny?
Warto wiedzieć, że akumulatory Li-Ion mogą wykorzystywać różne technologie ochronne, które zwiększają bezpieczeństwo i minimalizują ryzyko przegrzania. Zakres zabezpieczeń zależy od konstrukcji, przeznaczenia oraz producenta. Proste ogniwa w urządzeniach codziennego użytku wyposażane są w podstawowe mechanizmy ochronne, natomiast bardziej zaawansowane systemy, jak te w pojazdach elektrycznych czy sprzęcie medycznym, korzystają z kompleksowych rozwiązań. Do popularnych zabezpieczeń należą termistory PTC, które ograniczają przepływ prądu w razie wzrostu temperatury, systemy przerywające obwód (CID) działające w sytuacjach krytycznych oraz zawory bezpieczeństwa uwalniające nadmiar gazów. Niektóre modele wykorzystują separatory termoczułe, które w wysokich temperaturach zatrzymują transport jonów litu, zapobiegając dalszemu nagrzewaniu. Dodatkowo zaawansowane systemy zarządzania baterią (BMS) monitorują parametry, takie jak napięcie, natężenie prądu i temperatura, zapewniając optymalne warunki pracy. Dzięki temu technologie ochronne mogą być precyzyjnie dostosowane do różnych wymagań i zastosowań.
Baterie litowo-polimerowe (LiPo) to zaawansowane akumulatory, które wykorzystują elektrolit w formie żelu lub cienkiego polimeru, który jest umieszczany pomiędzy warstwami elektrod, co odróżnia je od tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion). Taka konstrukcja eliminuje konieczność stosowania metalowych obudów. Technologia ta pozwala na uzyskanie konstrukcji o większej elastyczności, dzięki czemu LiPo są chętnie stosowane w urządzeniach wymagających niestandardowych rozwiązań projektowych. Ich zalety:
- Średnia pojemność to 1000-5000 mAh (przy napięciu 3,7 V na ogniwo). W bardziej zaawansowanych konstrukcjach możliwe osiągnięcie nawet 20 000 mAh.
- Lekkość i elastyczność, akumulatory LiPo są znacznie lżejsze od tradycyjnych ogniw. Ich konstrukcja pozwala na dostosowanie rozmiaru i kształtu do indywidualnych potrzeb urządzenia. Są stosowane w urządzeniach takich jak przenośne defibrylatory czy sensory medyczne.
- Wysoka gęstość energii, oznacza większą pojemność przy mniejszej objętości. To sprawia, że idealnie sprawdzają się w aplikacjach wymagających maksymalnej efektywności energetycznej.
- Minimalne samorozładowanie, co czyni je wydajnymi nawet po długim czasie nieużytkowania.
- Bezpieczeństwo konstrukcji, brak metalowych obudów zmniejsza ryzyko eksplozji w przypadku mechanicznego uszkodzenia ogniwa.
Wady baterii LiPo:
- Mniejsza żywotność, akumulatory LiPo są mniej trwałe od tradycyjnych ogniw Li-ion, co oznacza mniejszą liczbę cykli ładowania i rozładowania przed utratą wydajności.
- Podatność na uszkodzenia, miękka i elastyczna obudowa sprawia, że baterie LiPo są bardziej wrażliwe na przebicia i uszkodzenia mechaniczne.
- Wymogi dotyczące przechowywania i ładowania. Aby zapewnić długą żywotność i uniknąć problemów z bezpieczeństwem, konieczne jest przestrzeganie określonych procedur ładowania i przechowywania (np. unikanie przeładowania lub rozładowania poniżej minimalnego napięcia).
- Koszt produkcji, wyprodukowanie baterii LiPo jest droższe niż tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych.
Baterie alkaliczne to jeden z najpopularniejszych rodzajów ogniw pierwotnych, które znajdują szerokie zastosowanie w codziennych urządzeniach elektronicznych. Działają one na zasadzie reakcji chemicznej pomiędzy cynkiem (anoda) a dwutlenkiem manganu (katoda) w środowisku alkalicznym, najczęściej przy użyciu wodorotlenku potasu jako elektrolitu. Cechy charakterystyczne baterii alkalicznych:
- Średnia pojemność to 600-3000 mAh (zależnie od rozmiaru, np. AAA, AA, C, D).
- Podczas pracy zapewniają napięcie na poziomie około 1,5 V, które jest stabilne w trakcie użytkowania. Taka cecha jest szczególnie istotna w urządzeniach wymagających niezawodnego zasilania, takich jak piloty, zegarki, czy sprzęt medyczny.
- Wyższa pojemność w porównaniu z tradycyjnymi bateriami cynkowo-węglowymi, co pozwala na dłuższe działanie urządzeń.
- Mają niski poziom samorozładowania, dzięki czemu mogą być przechowywane przez kilka lat bez znacznej utraty pojemności.
- Są nietoksyczne, co zmniejsza ryzyko zagrożeń ekologicznych, oraz łatwo dostępne w niemal każdym sklepie, co sprawia, że są jednym z najczęstszych wyborów konsumentów.
Wady baterii alkalicznych:
- Jednorazowość, baterii alkaliczne nie nadaje się do ładowania, co sprawia, że mogą generować większe ilości odpadów.
- Szybciej się wyczerpują w urządzeniach o dużym zapotrzebowaniu na energię, takich jak aparaty fotograficzne czy zabawki elektryczne.
Baterie cynkowo-powietrzne to specyficzny rodzaj ogniw pierwotnych, które wykorzystują tlen z powietrza jako katodę, a cynk jako anodę. Są znane z bardzo wysokiej gęstości energii i niskiego kosztu produkcji. Baterie te są szeroko stosowane w aparatach słuchowych, urządzeniach medycznych (np. implanty ślimakowe) i w niektórych technologiach wojskowych oraz przemysłowych. Cechy charakterystyczne:
- Średnia pojemność to 620-2000 mAh (dla aparatów słuchowych).
- Typowe napięcie to 1,35-1,4 V.
- Bardzo wysoka pojemność, dzięki czemu idealne nadają się do urządzeń wymagających długiego działania.
- Produkowane z materiałów nietoksycznych i łatwo podlegających recyklingowi.
- Niska trwałość po otwarciu. Po aktywacji (kontakt z powietrzem) szybko tracą pojemność, nawet jeśli nie są używane.
Baterie niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) to popularne ogniwa wtórne (akumulatory), które charakteryzują się większą pojemnością i brakiem efektu pamięci w porównaniu z ich poprzednikami – bateriami niklowo-kadmowymi. Baterie NiMH są szeroko stosowane w sprzęcie elektronicznym, takim jak aparaty cyfrowe, zabawki elektryczne, piloty, a także w narzędziach przenośnych, takich jak wiertarki i inne urządzenia akumulatorowe. Były również popularne w pojazdach hybrydowych, takich jak Toyota Prius. Cechy charakterystyczne:
- Średnia pojemność to 600-2500 mAh (dla standardowych rozmiarów AAA i AA). W przypadku profesjonalnych zastosowań, pojemności mogą dochodzić do 10 000 mAh dla większych ogniw przemysłowych.
- Typowe napięcie to 1,2 V (niższe niż w alkalicznych, ale stabilniejsze).
- Średnia gęstość energii, niższa niż w bateriach litowych, ale wyższa niż w niklowo-kadmowych.
- Brak efektu pamięci, mogą być ładowane w dowolnym momencie bez negatywnego wpływu na pojemność.
Baterie w liczbach
- Globalny popyt na baterie litowo-jonowe ma wzrosnąć niemal siedmiokrotnie między 2022 a 2030 rokiem, osiągając 4,7 TWh w 2030 roku. Ten wzrost jest napędzany głównie przez rozwój pojazdów elektrycznych i rosnące zapotrzebowanie na przechowywanie energii odnawialnej. Sektor motoryzacyjny, w szczególności elektryczne samochody osobowe, ma odpowiadać za ponad 60% tego wzrostu (Statista), (Statista).
- W 2021 roku wartość rynku baterii litowo-jonowych wynosiła około 54,6 miliarda USD, co stanowiło znaczący wzrost w porównaniu z poprzednimi latami, a prognozy wskazują na wzrost do około 257 miliardów USD w 2030 roku (Statista).
- Globalne zapotrzebowanie na lit, kluczowy surowiec w produkcji baterii, ma przekroczyć 1,4 miliona ton ekwiwalentu węglanu litu do 2025 roku, co stanowi wzrost o 53% w porównaniu z 2023 rokiem (Statista).
Przyszłe technologie magazynowania energii
1. Baterie solid-state (SSB) czyli baterie o stałym elektrolitcie obiecują wyższe bezpieczeństwo, dłuższą żywotność i wyższą gęstość energii niż baterie litowo-jonowe. Są obecnie w fazie rozwoju i testów.
- Zalety: Większa wydajność, mniejsze ryzyko zapłonu, zastosowanie w pojazdach elektrycznych.
- Wady: Wysoki koszt produkcji, skomplikowany proces wytwarzania.
- Zastosowania: Pojazdy elektryczne, elektronika konsumencka, magazynowanie energii odnawialnej.
2. Baterie litowo-siarkowe (Li-S), technologia ta oferuje potencjalnie wyższą gęstość energii niż tradycyjne baterie Li-ion, dzięki wykorzystaniu siarki jako katody.
- Zalety: Niski koszt materiałów, wysoka gęstość energii.
- Wady: Krótka żywotność cykliczna, degradacja elektrod.
- Zastosowania: Drony, pojazdy elektryczne, zastosowania wojskowe.
3. Magazyny energii na bazie wodoru. Technologie wodorowe oferują nowy sposób przechowywania energii poprzez jej konwersję na wodór i odwrotnie. Jest to szczególnie obiecujące w magazynowaniu energii odnawialnej.
- Zalety: Brak emisji dwutlenku węgla, ogromny potencjał energetyczny.
- Wady: Wysoki koszt infrastruktury, niski współczynnik efektywności.
- Zastosowania: Magazynowanie energii odnawialnej, pojazdy napędzane wodorem.
4. Ultrakondensatory, technologia ta umożliwia szybkie ładowanie i rozładowywanie energii, co jest przydatne w zastosowaniach wymagających wysokich mocy.
- Zalety: Długa żywotność, wysoka efektywność energetyczna.
- Wady: Niska gęstość energii w porównaniu z bateriami.
- Zastosowania: Pojazdy elektryczne, urządzenia przenośne, odnawialne źródła energii.
Inwestycje i patenty w technologii SSB
Technologie baterii ze stałym elektrolitem (SSB) przyciągają znaczną uwagę na całym świecie, szczególnie w krajach inwestujących w nowoczesne technologie magazynowania energii. Japonia, będąca liderem w tej dziedzinie, jest odpowiedzialna za ponad 50% globalnych patentów w technologii SSB, z firmami takimi jak Toyota, które posiadają 582 patenty w tej dziedzinie. Stany Zjednoczone oraz Niemcy również odnotowują znaczący wzrost liczby patentów i inwestycji w rozwój technologii solid-state. Dane te podkreślają, jak intensywna jest globalna rywalizacja w tej dziedzinie, a także jak istotną rolę odgrywają innowacje w kierunku bardziej zrównoważonych technologii baterii (Statista)(Statista).
Wpływ na środowisko i zrównoważony rozwój
Wpływ na środowisko i zrównoważony rozwój to wyzwania współczesnej gospodarki, w której rosnące zapotrzebowanie na energię wymaga innowacyjnych rozwiązań technologicznych. Rozwój nowoczesnych baterii, takich jak solid-state (SSB) i litowo-siarkowe (Li-S), przyczynia się do zwiększenia efektywności magazynowania energii odnawialnej i redukcji emisji CO₂, co jest istotnym krokiem w realizacji celów zrównoważonego rozwoju. W tym kontekście poprawa efektywności recyklingu, zmniejszenie uzależnienia od rzadkich surowców oraz inwestycje w alternatywne technologie, takie jak magazyny wodorowe, odgrywają istotną rolę w ograniczaniu śladów węglowych i budowaniu bardziej ekologicznej przyszłości.
Innowacyjne podejście do technologii magazynowania energii
Baterie i magazynowanie energii są fundamentem współczesnej elektroniki i technologii. Choć obecne technologie oferują wysoką wydajność, ich ograniczenia wskazują na potrzebę dalszych badań i inwestycji w przyszłe rozwiązania. Nowe technologie, takie jak baterie solid-state czy magazyny wodorowe, mają potencjał znacząco usprawnić zarządzanie energią na globalną skalę. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o nowoczesnych technologiach lub szukasz wsparcia w projektowaniu urządzeń wykorzystujących innowacyjne rozwiązania, zespół Device Prototype z przyjemnością pomoże w realizacji Twojego projektu – skontaktuj się z nami już dziś!