Батареи на основе лития десятилетиями были неотъемлемой частью нашей жизни и необходимы для различных электронных устройств. Но почему батареи на основе лития стали такими популярными и существуют ли лучшие альтернативы? Что может когда-нибудь полностью заменить литиевые батареи?
Что такое литиевые батареи?
Аккумуляторы на основе лития (литий-ионные аккумуляторы) на сегодняшний день являются наиболее распространенным типом аккумуляторов. Идея батарей на основе лития впервые была предложена в 1976 году британским химиком Майклом Стэнли Уиттингемом. Аккумуляторы на основе лития впервые стали широко доступны в коммерческих масштабах несколько лет спустя, в 1991 году, когда они были запущены в массовое производство.
Батарея на основе лития может поставляться во многих формах, наиболее известными из которых являются литиевые. фосфат железа, оксид лития-кобальта, оксид лития-марганца и литий-никель-марганец-кобальт окись. Эти батареи содержат небольшие силовые элементы, каждый из которых состоит из положительного электрода (катода), отрицательного электрода (анода) и электролита.
Внутри ячейки ионы лития перемещаются между положительным и отрицательным электродами, а электролит действует как вектор движения. Ионы лития (Li+) имеют положительный заряд и поэтому притягиваются к отрицательному электроду. Два электрода также состоят из ключевых компонентов. В случае типичной батареи из оксида лития-кобальта катод изготовлен из оксида лития-кобальта, а анод обычно изготавливается из соединения на основе углерода, известного как графит.
Катод отдает часть своих положительных ионов лития, которые затем через электролит перемещаются к аноду, высвобождая энергию, которую батарея будет использовать для своей выходной мощности. Миллиарды людей во всем мире используют этот быстрый и простой процесс для подзарядки своих устройств.
Многие марки литий-ионных аккумуляторов являются одноразовыми. Хотя они могут питать устройство в течение нескольких недель, месяцев или даже лет, его необходимо утилизировать и заменить после того, как батарея разрядится. Однако, перезаряжаемые литиевые батареи в настоящее время очень популярны, так как они могут сэкономить деньги пользователей и производить меньше отходов.
Но почему именно литиевые батареи являются лучшим выбором? Что делает их такими привлекательными для производителей и потребителей?
Почему мы используем литиевые батареи?
В основном мы используем батареи на основе лития из-за их длительного срока службы по сравнению с другими типами батарей. Производители хотят производить и продавать батареи, которые обеспечивают питание в течение нескольких дней, оставаясь при этом легкими и компактными. Кроме того, согласно Институт чистой энергии, Литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкий саморазряд, составляющий около 1–2 % в месяц, что означает, что при каждом использовании они теряют меньший процент своей общей мощности.
Литий-ионные батареи могут производить энергию посредством простого химического процесса, что делает их очень привлекательным вариантом для производителей. Кроме того, плотность энергии литий-ионных аккумуляторов делает их наиболее предпочтительным вариантом. Стандартная литий-ионная батарея имеет емкость 260-270 Втч/кг (ватт-час на килограмм), в то время как свинцово-кислотные батареи могут достигать емкости только 50-100 Втч/кг (согласно Стрекоза Энергия). Плотность энергии литий-ионных аккумуляторов также является ключевой причиной их популярности. обычно используется в электромобилях.
Из-за этих факторов батареи на основе лития популярны среди широкой публики, и их покупка недорога. Хотя некоторые марки или модели аккумуляторов могут иметь более высокую цену, стандартные литиевые аккумуляторы, как правило, вполне доступны по цене и доступны в миллионах магазинов по всему миру.
Но литий-ионные аккумуляторы далеко не идеальны. На самом деле, есть некоторые вопиющие проблемы, связанные с этим невероятно популярным источником питания.
Проблема с литиевыми батареями
Одной из самых больших проблем, связанных с литий-ионными батареями, является огромное количество отходов, которые они создают. Многие люди предпочитают утилизировать аккумуляторы через обычный мусор, как только они разряжаются, что наносит ущерб окружающей среде.
Когда литий-ионные батареи утилизируются вместе с другими обычными неперерабатываемыми отходами, они попадают на свалку. Как только они приземлятся здесь, их компоненты могут выщелачиваться и наносить серьезный ущерб окружающей среде. Литий, никель, кобальт и марганец могут представлять серьезную опасность загрязнения и присутствуют в различных типах батарей на основе лития.
Более того, извлечение лития для этого типа батарей также наносит вред нашей планете. Литий можно извлекать путем добычи соли или выпаривания, причем оба процесса оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Загрязнение, повышенная соленость воды, выбросы CO2 и утрата биоразнообразия — все это тревожные побочные эффекты экстракции лития.
Учитывая, что рынок литиевых батарей, как ожидается, вырастет на 14,6% в период с 2020 по 2026 год (по данным Статистика), вполне вероятно, что процесс извлечения лития будет по-прежнему представлять угрозу для окружающей среды. Это также растущая озабоченность в отрасли производства электромобилей.
Итак, каковы альтернативы?
Четыре лучших альтернативы литиевым батареям
1. Соленые батареи
Морские океаны покрывают две трети нашей планеты. Итак, как можно использовать этот ресурс для производства электроэнергии?
Батареи с морской водой используют концентрированный солевой раствор для производства энергии. Аккумуляторы с морской водой также содержат анод и катод, при этом солевой раствор действует как электролит (или переносчик) для положительных ионов натрия (ионов Na+). Ионы натрия перемещаются от катода к аноду, производя энергию.
Настоящая морская вода не используется в батареях с морской водой, но большое количество соли может быть собрано из океана и использовано для этих батарей. Использование соленой воды для производства батарей может быть гораздо менее вредным для окружающей среды, чем процессы экстракции лития, кобальта, никеля и других металлов, используемых в батареях.
2. Стеклянные батареи
Стеклянные батареи могут показаться немного необычными, но у них большой потенциал. Стеклянная батарея — относительно новая идея, впервые предложенная физиком Джоном Гуденафом в 2017 году. В этой батарее, известной как «батарея Гуденаф», в качестве электролита используется стекло. В то время как аккумуляторные электролиты обычно бывают жидкими, стеклянная батарея полностью твердая.
Использование твердого электролита значительно безопаснее, чем жидких электролитов, снижает вероятность возгорания и устраняет риск выщелачивания на свалках. Более того, стеклянная батарея может работать дольше, чем литий-ионные батареи, что делает их более устойчивой альтернативой в целом. Натрий также используется в стеклянной батарее, которая, как упоминалось при обсуждении батарей с морской водой, является более устойчивым ресурсом, чем традиционные металлические батареи.
3. Натриево-серные батареи
Натриево-серные (NaS) батареи представляют собой разновидность аккумуляторов в жидком состоянии, в которых используются расплавленные аноды и катоды. В этом случае анод и катод находятся в жидкой форме, причем первый представляет собой расплавленный натрий, а второй - расплавленную серу. Эти батареи существовали с 1960-х годов до изобретения литий-ионной батареи. Но какой потенциал у батареи NaS в нашем мире?
Основным преимуществом натрий-серных аккумуляторов является их более высокая плотность энергии, чем у литий-ионных аккумуляторов. Фактически, исследователи Сиднейского университета в 2022 году создали натрий-серную батарею с энергоемкостью, в четыре раза превышающей литий-ионные батареи. Более того, натрий-серные батареи менее токсичны, чем литий-ионные, что является хорошей новостью для окружающей среды.
4. Конопляные батареи
Вы бы не подумали, что конопля может заменить литий-ионные батареи, но это растение еще раз доказало свою универсальность. Однако эти батареи имеют одну оговорку: в них по-прежнему используются тяжелые металлы, такие как литий.
Эко часы сообщает, что один из примеров батареи на основе конопли, разработанный исследователями в 2022 году, использует литий и серу в процессе выработки электроэнергии. Разница здесь в том, что другие тяжелые металлы, такие как никель или кобальт, не используются, а сама батарея имеет улучшенные характеристики по сравнению с традиционными литий-ионными вариантами. Это связано с тем, что конопля помогает катоду продлить срок службы за счет повторяющихся циклов.
Аккумуляторы на основе конопли также более рентабельны и рассматриваются для использования в электромобилях. Чтобы узнать о различных типах аккумуляторов для электромобилей, ознакомьтесь с нашим отдельная статья по теме.
Аккумуляторная промышленность может стать намного экологичнее в будущем
Учитывая, что такие многообещающие альтернативы литий-ионным батареям уже находятся в разработке, интересно подумать о будущем индустрии аккумуляторов. Если такие альтернативы будут успешно коммерциализированы, мы сможем предотвратить бесчисленные экологические проблемы и катастрофы. В общем, это беспроигрышный вариант для замены литий-ионных аккумуляторов!
