U srcu revolucije električnih vozila tehnološko je čudo poznato kao litijum jonske baterije. Ove napredne baterije za skladištenje velike količine energije odigrale su ključnu ulogu u oblikovanju budućnosti transporta. Jedna od industrijskih grana koje su je odmah implementirale u svoje sisteme su i radna vozila poput viljuškara, stakera, električnih paletara i raznih vrsta dizalica. Danas se električni viljuškari ne mogu zamisliti bez litijum-jonskih baterija koje su veoma izdržljive, dugotrajne, pouzdane i nude veliki broj radnih sati.
Sve je krenulo početkom devedesetih godina prošlog veka kada je litijum-jonska baterija postala moguća alternativa za olovno-kiselinske baterije na koje smo do tada navikli i koje su bile ograničene u skladištenju energije, ali i velike te rogobatne.
Sadržaj:
Nastanak litijum jonske baterije i nobelova nagrada za hemiju
Napredak i prednosti litijum jonskih baterija
Litijum jonske baterije nisu još ispunile svoj konačan potencijal
Litijum jonske baterije ne gube kapacitet napunjenosti
Litijum jonske baterije i različite tehnologije
Nastanak litijum jonske baterije i nobelova nagrada za hemiju
Litijum-jonske baterije su punjivi izvori energije koji se sastoje od pozitivnih i negativnih elektroda razdvojenih elektrolitom. Kretanje litijum jona između elektroda tokom procesa punjenja i pražnjenja omogućava efikasan prenos energije. Ovaj jedinstveni mehanizam čini litijum-jonske baterije visoko efikasnim i dugotrajnim. Pojava ovih baterija na tržištu devedesetih godina prošlog veka, promenila je igru u industriji električnih vozila, ali i u svetu uopšte. Utabala je put u bežično društvo u kojem trenutno živimo.
Sa svojim vrhunskim performansama one su danas okosnica moderne električne mobilnosti. Neizostavni su deo računara, pametnih telefona, pesmejkera, pa sve do električnih viljuškara i svakog aparata koji svoju energiju crpi preko baterija. Kako ova tehnologija nastavlja da se razvija, možemo očekivati još značajnija otkrića, koja će oblikovati našu održiviju budućnost.
John B. Goodenough, američki fizičar i naučnik o materijalima, odigrao je značajnu ulogu u razvoju litijum-jonske baterije. Poznat je po svom radu na Univerzitetu Teksasa u Ostinu. Rachid Iazami, marokansko-francuski naučnik, dao je ključni doprinos razumevanju interkalacije litijuma u grafitnim anodama, što je ključna komponenta litijum-jonskih baterija. Njegovo istraživanje je bilo ključno za unapređenje tehnologije. Akira Jošino, japanski hemičar, zaslužan je za stvaranje prve komercijalno održive litijum-jonske baterije osamdesetih godina prošlog veka.
Zajednički napori ova tri istraživača napravila je revoluciju u prenosivim elektronskim uređajima. Ove baterije postale su najbolje rešenje za skladištenje energije za različite stvari, uključujući pametne telefone, laptopove, električna vozila i sisteme obnovljive energije. Za svoj rad nagrađeni su Nobelovom nagradom za hemiju 2019. godine.
Napredak i prednosti litijum jonskih baterija
Neumorna potraga za tehnološkim napretkom dovela je do značajnih poboljšanja litijum-jonskih baterija. Proizvođači stalno rade na povećanju gustine ovih baterija i tako sve većoj efikasnosti, omogućavajući brže vreme punjenja i obezbeđujući bolje bezbednosne standarde. Tako potpuno zamenjuju motor sa unutrašnjim sagorevanjem ali i iskorištavaju snagu čistih izvora energije.
- Visoka gustina energije ovih baterija znači da one mogu da skladište veliku količinu energije u relativno malom, kompaktnom i laganom pakovanju. Ovo je posebno važno u transportnoj industriji, gde su prostor i težina najvažniji za optimizaciju performansi električnih vozila.
- Mogućnost brzog punjenja jedna od najznačajnijih prednosti litijum-jonskih baterija. Sa napretkom u tehnologiji punjenja, vozila opremljena ovim baterijama pune se sada već toliko brzo da to uopšte ne utiče na bilo kakav radni proces. Ovo je segment na koji proizvođači ulažu posebne napore, pa se u skorijoj budućnosti može očekivati da se baterije napune za isto onoliko vremena koliko treba pumpi da u rezervoar natanka gorivo.
- Duži vek trajanja baterije u poređenju sa konvencionalnim olovno-kiselinskim baterijama. Produženi životni vek omogućuje vlasnicima električnih vozila da uživaju u godinama pouzdanih performansi pre nego što im je potrebna zamena. Ovaj faktor izdržljivosti značajno doprinosi ukupnoj isplativosti električnih vozila. Tako se netreba plašiti ni kupovine polovnih električnih viljuškara.
- Poboljšane bezbednosne funkcije od najveće su važnosti kada je u pitanju tehnologija baterija, a litijum-jonske baterije su napravile značajan napredak u ovoj oblasti. Proizvođači su implementirali različite sigurnosne funkcije, kao što su sistemi za upravljanje toplotom i nadzor baterije, kako bi osigurali bezbedan rad u različitim uslovima.
Litijum jonske baterije nisu još ispunile svoj konačan potencijal
Gustina energije je zapravo količina energije koja može da se sačuva u određenoj zapremini ili težini i izražava se u Vh/kg (vat sati po kilogramu). Litijum-jonske baterije u ovom segmentu su neprevaziđene od bilo kojih drugih koje se trenutno mogu naći na tržištu. Velika gustina kreće se najčešće u rasponioma od 100-265 Vh/kg pa sve do čak 315 Vh/kg. Za razliku od recimo nikl-kadmijum ili nikl-metalnih baterija, litijumske mogu da se pune u mnogo većem broju ciklusa i godinama ne gube svoju efikasnost.
U automobilskoj industriji dugo već nije vest da pojedina električna vozila mogu preći i 500 kilometara sa jednim punjenjem baterije. Sa druge strane, naučnici sa Univerziteta iz Pensilvanije su uspeli da ovu bateriu napune za svega deset minuta, što će rešiti najveće strateške probleme prilikom transporta, kako se ne bi gubilo vreme na punjenju. Prodaja električnih automobila tako je premašila je 2,1 milion, (2,6 odsto globalne prodaje automobila) u 2019. godini i ta brojka je u konstantnom porastu.
Radi se i na razvijanju baterija za letelice, dronove i satelite. U SAD je trenutno tri puta više naučnika koji razvijaju ove baterije nego što ih je bilo pre samo deset godina. Prototipi električnih letelica već su u stanju da prevezu putnike 1000 kilometra sa jednim punjenjem baterije.
Veoma je bitna i njihova ekonomičnost. Cene ovih baterija koje se proizvodne najviše u Aziji i Americi u poslednjih desetak godina pale su za više od 80 odsto. I druge, poput baterija za viljuškare, danas su pristupačnije sa cenama, nego koju godinu pre. Kako se predviđa, do 2025. godine, potražnja za litijumom porašće gotovo tri puta više nego što je to trenutno. Ove baterije imaju potencijal da u budućnosti život na planeti pretvore u 100 posto obnovljiv.
Litijum jonske baterije ne gube kapacitet napunjenosti
Poznato je da baterije vremenom gube svoju snagu, odnosno kapacitete napunjenosti. No, litijumske baterije koje se koriste za široku potrošnju tek nakon 500 ciklusa punjenja i pražnjenja počinju da gube svoj kapacitet. Kod onih baterija koje se ugrađuju u električna vozila situacija je još bolja.
Velika analiza kompanije Geotab kaže da je razgradnja litijum-jonske baterije u vozilima toliko spora da većina njih danas nadživljuju vek trajanja samog automobila.
Gubitak kapaciteta je mali, od 1,6, do 2,5 odsto godišnje, a raduje i činjenica da vozila s velikom upotrebom nisu pokazala značajno veću degradaciju baterije.
Ipak, da bi baterija što duže trajala ona bi trebalo da uvek bude napunjena u rasponu od 20 do 80 odsto. Tako baterije traju najduže.
To je jasno i proizvođačima vozila pa većina ima sisteme koji osiguravaju da se one nikada ne napune i ne isprazne do kraja. Ako vam piše da je baterija puna 100 odsto, verovatno nije, nego nešto više od 90 odsto.
Litijumske baterije dugo čuvaju energiju. Prazne se tek 1,5 do 2 odsto mesečno. Primera, olovne baterije su već na 5 odsto za mesec dana, dok one na bazi nikla izgube i do 15 odsto u jednom danu. Tako litijum-jonska baterija ako je puna i netaknuta, za godinu dana može sačuvati i više od 80 odsto energije.
Jedna od najvažnijih stvari je i njihova težina, odnosno lakoća kojom su omogućile da svet postane ovako bežičan i prenosan. Zamislite da vam mobilni telefoni teže oko 5 kilograma, brzo bi vam dosadili.
Litijum jonske baterije i različite tehnologije
Litijum fero fosfat je među prvima komercijalizovana tehniologija, ali nije imao dovoljnu gustinu da se zadrži u električnim vozilima. Litijum mangan oksid (LMO) još jedna sada već starija tehnologija sa velikom snagom ali manjom gustinom. Nove baterije koje se proizvode sa ovom tehnologijom pogodne su za električne bicikle i trotinete. Litijum mangan (LMR) je bogat manganom koji mu daje visoku energentsku gustinu. Litijum sumpor se koristi najčešće u dronovima. Ima veoma veliku gustinu.
Litijumske baterije u čvrstom stanju sledeći su korak u razvoju ove tehnologije. Elektrolit nije tečan i na taj način ne može da se zapali. Ideja je da se tako poveća bezbednost. Prilikom saobraćajnih nesreća ovakve baterije ne bi trebalo da gore. Sem što su bezbednije one su i jače i povećavaju domet električnih vozila. Trenutno nedostatak ovih baterija je duže vreme punjenja. No, pojedine automobilske kompanije već su najavile da će uskoro izbacivati vozila sa ovim baterijama.
Najčešće tehnologije litijum jonske baterije:
- Litijum nikl mangan kobalt oksid (NMC katoda)
- Litijum nikl kobalt aluminijum (NCA katoda)
- Litijum kobalt oksid (LCO katoda), ekskluzivna potrošačka elektronika
- Litijum fero fosfat (LFP katoda)
- Litijum mangan oksid kičmeni (LMO katoda)
- Litijum sumpor (Li-S, sumporna katoda)
- Metal litijum (anoda), čvrsto stanje
- Litijum titanat (LTO anoda)
Litijum jonske baterija viljuškare učinile još efikasnijim
Viljuškari igraju ključnu ulogu u različitim industrijama, od skladištenja do proizvodnje. Tradicionalno, viljuškare su pokretale olovno-kiselinske baterije, ali poslednjih godina došlo je do značajnog pomeranja ka usvajanju litijum-jonskih baterija koje mogu da uskladište više energije u istoj količini prostora, omogućavajući viljuškarima, paletarima i električnim stakerima, da rade duže bez potrebe za čestim dopunama.
Prednosti litijumskih baterija u viljuškarima:
- Duži životni vek – litijum-jonske baterije imaju znatno duži vek trajanja u poređenju sa olovnim baterijama. One mogu da izdrže veći broj ciklusa punjenja i pražnjenja, smanjujući potrebu za zamenama, štedeći resurse na duži rok.
- Smanjeno održavanje – ove baterije zahtevaju minimalno održavanje, za razliku on od olovno-kiselinskih baterija koje zahtevaju redovno zalivanje i izjednačavanje. Ovo smanjuje potrebu za ručnom intervencijom, oslobađajući dragoceno vreme operaterima viljuškara.
- Više prostora – kompaktan i prostorno efikasan dizajn litijum-jonskih baterija omogućava viljuškarima da imaju veći kapacitet skladištenja. Ovo je posebno korisno u uskim skladišnim prostorima gde je neophodno maksimalna kompaktnost.
- Sigurniji rad – ove baterije mogu da izdrže ekstremne temperature, i tople i hladne, bez ugrožavanja njihovih performansi. Pogodni su za viljuškare koji rade u različitim uslovima.
- Smanjena težina – litijumske baterije su znatno lakše, smanjujući ukupnu težinu viljuškara. Ovo doprinosi boljem rukovanju viljuškarom i paletarom, ali i energetski efikasnije vozilo.
- Niži ukupni troškovi – dok litijum-jonske baterije mogu imati veću početnu cenu, njihov duži vek trajanja, smanjeno održavanje i energetska efikasnost dovode do nižih ukupnih troškova tokom životnog veka baterije.
Litijum jonske baterija budućnost su sveta
Litijum-jonske baterije su nesumnjivo napravile revoluciju u proizvodnji električnih vozila i transporta. Polje tehnologije baterija koje se stalno razvija nastavlja da pomera granice onoga što litijum-jonske baterije mogu da postignu. Kako istraživači i proizvođači teže kontinuiranom poboljšanju, nekoliko uzbudljivih napredaka je na horizontu.
Čvrste litijumske baterije (solid-state) privlače značajnu pažnju zbog svog potencijala da povećaju bezbednost i gustinu energije. Zamenom tradicionalnog tečnog elektrolita alternativom u čvrstom stanju, rizik od curenja i gubitka toplote se može ublažiti, čineći vozila još bezbednijim.
U toku su napori da se razviju rešenja za još brže punjenje litijum-jonskih baterija, što značajno smanjuje vreme potrebno za potpuno punjenje. Ovaj napredak će električna vozila učiniti još privlačnijim za potrošače koji daju prednost pogodnostima vremenske efikasnosti.
Istraživači sa Instituta za tehnologiju u Ilinoisu razvili su litijum-vazdušnu bateriju koja bi mogla da ostvari san svakog vozača da sa jednim punjenjem može da pređe više od 1000 kilometara. Ova baterija sa čvrstim elektrolitima mogla bi da napravi i revoluciju u transportu jer je idealna za električne kamione, ali i u vazdušnom saobraćaju, pokretanjem novih verzija putničkih i transportnih aviona.
Kao odgovor na zabrinutost oko uticaja proizvodnje i odlaganja baterija na životnu sredinu, industrija se fokusira na održive prakse i inicijative za reciklažu. Optimizacijom procesa reciklaže baterija, vredni materijali se mogu ponovo koristiti, smanjujući potražnju za novim sirovinama i minimizirajući otpad.