Rodzaje baterii litowo-jonowych

Magazyny energii stają się coraz popularniejsze a wśród nich dominują baterie litowo-jonowe. Bateria litowo-jonowa jest jednak ogólnym pojęciem gdyż występuje sześć rodzajów baterii litowo-jonowych. Czym się różnią?

1. Skąd się wzięły baterie litowo-jonowe?
2. Baterie litowo-kobaltowe (LiCoO2) – LCO
3. Baterie litowo-manganowe (LiMn2O4) – LMO
4. Baterie litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (LiNiMnCoO2) – NMC
5. Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) – LFP
6. Baterie litowo-niklowo-kobaltowo-glinowe (LiNiCoAlO2) – NCA
7. Bateria litowo-tytanowa (Li2TiO3) – LTO
8. Parametry baterii
9. Podsumowanie

---

---

Skąd się wzięły baterie litowo-jonowe?

Trzej naukowcy, którzy opracowali technologię magazynowania energii w bateriach litowo-jonowych, w 2019 roku otrzymali nagrodę Nobla z chemii za swoje osiągnięcie. Dzięki badaniom Johna Goodenough, Stanleya Wittinghama oraz Akiry Yoshino, możemy dzisiaj korzystać z wygodnych akumulatorów litowo-jonowych, które mając niewielkie rozmiary umożliwiają magazynowanie dużych ilości energii oraz można je szybko naładować.

Wprowadzone na rynek w 1991 roku przez firmę Sony do zasilania kamer, dzisiaj znajdują zastosowanie w bardzo różnych produktach. Rola baterii litowo-jonowych jest szczególnie istotna w dwóch rewolucyjnych technologiach, które zmieniają nasze życie. Jedną z nich jest transformacja samochodów napędzanych silnikami spalinowymi na samochody elektryczne a drugą odejście od produkcji energii elektrycznej z paliw kopalnych do produkcji prądu z odnawialnych źródeł energii, które wymagają magazynowania energii.

Bateria Li-ion składa się z czterech głównych komponentów: katody, anody, elektrolitu oraz separatora. Nazwa baterii pochodzi na ogół od nazwy materiału z jakiego wykonana jest katoda, np. LFP lub NMC.

W pełni naładowanym ogniwie bateryjnym, miliardy atomów litu są uwięzione w porowatym zbiorniku zwanym anodą. Są one osadzone w strukturze materiału i gotowe do opuszczenia anody i podróży w kierunku przeciwnego zbiornika, zwanego katodą.

Ich podróż jest wyzwalana poprzez podłączenie urządzenia zewnętrznego do anody i katody, np. żarówki. Gdy żarówka świeci, atomy litu uwalniają elektrony, które ustawiają się w kolejce aby wydostać się z anody i zacząć przemieszczać się w kierunku katody po drodze przechodząc przez żarówkę.

Gdy elektrony już wyruszą, przemieszczają się przez specjalny środek chemiczny zwany separatorem. Separator służy z jednej strony zwiększeniu szybkości transportu elektronów, a z drugiej, separacji anody od katody, aby zapobiec zwarciu.

Mnogość technologii litowo-jonowych wynika z różnych zastosowań baterii. Bateria w smartfonie musi sprostać innym wymaganiom niż bateria w samochodzie elektrycznym czy w domowym magazynie energii.

Baterie litowo-kobaltowe (LiCoO2) – LCO

Bateria litowo-kobaltowa charakteryzuje się wysoką gęstością energii dzięki czemu jest powszechnie stosowana w telefonach komórkowych oraz laptopach.

Wadą baterii LCO jest jest stosunkowo krótka żywotność, niska stabilność termiczna (ryzyko tzw. thermal runaway) oraz ograniczony prąd ładowania oraz rozładowania.

Akumulatory litowo-kobaltowe stopniowo są wypierane przez litowo-manganowe ze względu na wysoki koszt kobaltu.

Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi 500 do 1000 i zależy od temperatury i głębokości rozładowania. Stopień zużycia baterii jest określany parametrem SoH.

Gęstość energii: 150 – 200 Wh/kg.

Ucieczka termiczna (thermal runaway) to zjawisko niekontrolowanego wzrostu temperatury ogniwa bateryjnego. Ogniwo bardzo silnie się wówczas nagrzewa, co może prowadzić nawet do powstania ognia. Główną przyczyną jest nadmierne wydzielanie się ciepła podczas ładowania baterii, które prowadzi do ucieczki termicznej.

Baterie litowo-manganowe (LiMn2O4) – LMO

Akumulatory litowo-manganowe cechuje wysoki prąd ładowania i rozładowania. Ze względu na brak kobaltu bateria LMO jest stabilniejsza termicznie od LCO. LMO stosuje się do zasilania narzędzi elektrycznych, instrumentów medycznych oraz samochodów elektrycznych i hybrydowych.

Pojemność baterii litowo-manganowej jest ok. jednej trzeciej mniejsza od baterii litowo-kobaltowej.

Liczba cykli ładowania i rozładowania: 300 – 700 i zależy od temperatury i głębokości rozładowania.

Gęstość energii: 100 – 150 Wh/kg.

Baterie litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe (LiNiMnCoO2) – NMC

Mniej więcej do 2020 roku, baterie NMC były niekwestionowanym liderem wśród baterii litowo-jonowych. Jeszcze w 2022 roku stanowiły ok. 60% rynku. Jednak w związku z pożarami samochodów elektrycznych, producenci samochodów stopniowo rezygnują z NMC na korzyść LFP.

Dzięki połączeniu niklu, manganu oraz kobaltu udało się uzyskać akumulator nazywany NMC, który można skonfigurować tak aby posiadał wysoką gęstość energii ale małą moc, bądź na odwrót, niską gęstość energii ale dużą moc.

Właściwości baterii NMC:

• wysoka gęstość energii (mniej więcej 10% większa niż LFP),
• ograniczona żywotność (gęste upakowanie ma swoje konsekwencje),
• ograniczone bezpieczeństwo pracy (jak wyżej),
• stosunkowo wysoka cena.

Możliwość uzyskania wysokiej gęstości energii (na ogół kosztem trwałości), czynią ogniwa NMC popularnymi do zasilania narzędzi, rowerów elektrycznych, samochodów elektrycznych czy domowych magazynów energii do fotowoltaiki.

Główną przyczyną sukcesu ogniw NMC w samochodach elektrycznych była ich wysoka gęstość energii w połączeniu ze znacznie mniejszą wagą w przeliczeniu na kWh niż w bateriach LFP. Jednak pożary aut oraz ich trwałość w połączeniu z rosnącymi kosztami produkcji sprawiły, że branża motoryzacyjna stopniowo rezygnuje z baterii NMC na korzyść LFP. W przypadku domowych magazynów energii, część producentów, szczególnie chińskich, od samego początku stosowała technologię LFP.

Liczba cykli ładowania i rozładowania: 1000 – 2000 w zależności od temperatury i głębokości rozładowania.

Gęstość energii: 150 – 220 Wh/kg.

Przykład zastosowania NMC: LG RESU, Tesla Powerwall.

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) – LFP

Główne cechy baterii LFP to:

• mniejsza gęstość energii niż baterii NMC (ok. 10% w zależności od producenta),
• długa żywotność,
• wysokie natężenie prądu, oraz
• dobra stabilność termiczna i bezpieczeństwo.

W ostatnim czasie technologia LFP zastępuje NMC w samochodach elektrycznych, głównie z powodu niższych kosztów (brak Ni a przede wszystkim Co), oraz większego bezpieczeństwa pracy.

Akumulatory LFP stosuje się najczęściej w domowych magazynach energii do fotowoltaiki, samochodach elektrycznych i rowerach elektrycznych a także jako zamienniki dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Dużym problemem w akumulatorach LFP jest niewielka zmienność napięcia w szerokim zakresie SoC (poziomu naładowania). Z tego powodu BMS (system nadzorujący baterie) ma trudności z ustaleniem poziomu naładowania baterii, co czasami prowadzi do niespodziewanego wyłączenia baterii.

Baterie LFP są bezpieczniejsze niż NMC, ponieważ wiązanie tlenku fosforanu jest mocniejsze niż tlenku kobaltu, więc gdy dochodzi do przeciążenia baterii, zachowuje ono swoją fizyczną strukturę, podczas gdy inne związki litu rozszerzają się wytwarzając nadmierne ciepło co prowadzi do ucieczki termicznej (thermal runaway). Dodatkowo, gazy uwalniane podczas rozerwania ogniwa bateryjnego LFP są mniej toksyczne, niż w technologii NMC.

Na filmie można zobaczyć jakim testom poddawane są baterie oraz z jakim skutkiem.

Liczba cykli ładowania i rozładowania: powyżej 2 000 w zależności od temperatury i głębokości rozładowania.

Gęstość energii: 90 – 120 Wh/kg.

Baterie litowo-niklowo-kobaltowo-glinowe (LiNiCoAlO2) – NCA

Bateria NCA wykazuje podobieństwa do baterii NMC pod względem wysokiej gęstości energii oraz stosunkowo wysokiej mocy. Charakteryzuje się jednak nieco niższym poziomem bezpieczeństwa.

Akumulatory NCA są stosowane w niektórych modelach Tesli.

Liczba cykli ładowania i rozładowania: 500 w zależności od temperatury i głębokości rozładowania.

Gęstość energii: 200 – 260 Wh/kg.

Bateria litowo-tytanowa (Li2TiO3) – LTO

Anoda nie jest wykonana z grafitu, ale z dwutlenku tytanu (Lithium Titanoxid), czasami w połączeniu z katodą LFP.

Akumulator litowo-tytanowy należy do najbezpieczniejszych spośród rodziny baterii litowo-jonowych i posiada bardzo dobre parametry pracy w niskich temperaturach. Akumulatory LTO są bardzo trwałe (10 do 30 razy bardziej niż LFP czy NMC), mają bardzo niską gęstość energii (niższą niż stosowane dawniej baterie NiMH), oraz są stosunkowo drogie (przynajmniej o 50 – 150% bardziej niż NMC).

Akumulatory LTO są stosowane najczęściej w ups-ach oraz oświetleniu ulicznym zasilanym energią słoneczną.

Liczba cykli ładowania i rozładowania: 3000 – 7000.

Gęstość energii: 50 – 80 Wh/kg.

Parametry baterii

Poniżej wyjaśnienie niektórych parametrów opisujących baterie:

• pojemność baterii – jest to ilość energii elektrycznej (prądu) zmagazynowana w baterii, jednostką jest najczęściej watogodzina (Wh) lub kilowatogodzina (kWh),
• żywotność – liczba cykli pełnego naładowania i rozładowania powyżej której pojemność baterii spada poniżej określonego poziomu,

Podsumowanie

• Obecnie dostępnych jest sześć rodzajów baterii litowo-jonowych.
• Najpowszechniej stosowane w domowych magazynach energii do fotowoltaiki to LFP oraz NMC.
• Baterie LFP uchodzą za najbezpieczniejsze.