V središču revolucije električnih vozil je tehnološki čudež, znan kot litij-ionske baterije. Te napredne baterije za shranjevanje velikih količin energije so odigrale ključno vlogo pri oblikovanju prihodnosti transporta. Ena izmed industrijskih panog, ki jih je hitro vključila v svoje sisteme, so tudi delovna vozila, kot so viličarji, vilični zlagalniki, električni paletni vozički in različne vrste dvigal. Danes si električnih viličarjev skoraj ni mogoče predstavljati brez litij-ionskih baterij, ki so zelo vzdržljive, dolgotrajne, zanesljive in omogočajo veliko število delovnih ur.
Vse se je začelo v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja, ko je litij-ionska baterija postala možna alternativa svinčeno-kislinskim baterijam, na katere smo bili do takrat navajeni in ki so imele omejeno kapaciteto shranjevanja energije, poleg tega pa so bile velike in okorne.
Vsebina:
Nastanek litij-ionske baterije in Nobelova nagrada za kemijo
Napredek in prednosti litij-ionskih baterij
Litij-ionske baterije še niso dosegle svojega končnega potenciala
Litij-ionske baterije ne izgubljajo kapacitete napolnjenosti
Litij-ionske baterije in različne tehnologije
Litij-ionske baterije so viličarje naredile še učinkovitejše
Nastanek litij-ionske baterije in Nobelova nagrada za kemijo
Litij-ionske baterije so polnilni viri energije, ki so sestavljeni iz pozitivnih in negativnih elektrod, ločenih z elektrolitom. Gibanje litijevih ionov med elektrodama med procesom polnjenja in praznjenja omogoča učinkovit prenos energije. Ta edinstveni mehanizem naredi litij-ionske baterije zelo učinkovite in dolgotrajne. Pojav teh baterij na trgu v devetdesetih letih prejšnjega stoletja je popolnoma spremenil industrijo električnih vozil, pa tudi svet na splošno. Utrl je pot v brezžično družbo, v kateri danes živimo.
Zaradi svojih vrhunskih zmogljivosti so danes temelj sodobne električne mobilnosti. Nepogrešljiv del so računalnikov, pametnih telefonov, srčnih spodbujevalnikov, pa vse do električnih viličarjev in številnih naprav, ki energijo pridobivajo iz baterij. Ker se ta tehnologija še naprej razvija, lahko pričakujemo še pomembnejša odkritja, ki bodo oblikovala našo bolj trajnostno prihodnost.
John B. Goodenough, ameriški fizik in znanstvenik na področju materialov, je odigral pomembno vlogo pri razvoju litij-ionske baterije. Znan je po svojem delu na Univerzi v Teksasu v Austinu. Rachid Yazami, maroško-francoski znanstvenik, je pomembno prispeval k razumevanju interkalacije litija v grafitnih anodah, ki je ključna komponenta litij-ionskih baterij. Njegove raziskave so bile ključne za napredek te tehnologije. Akira Yoshino, japonski kemik, pa je zaslužen za ustvarjanje prve komercialno uporabne litij-ionske baterije v osemdesetih letih prejšnjega stoletja.
Skupna prizadevanja teh treh raziskovalcev so povzročila revolucijo na področju prenosnih elektronskih naprav. Te baterije so postale najboljša rešitev za shranjevanje energije v številnih napravah, vključno s pametnimi telefoni, prenosniki, električnimi vozili in sistemi obnovljivih virov energije. Za svoje delo so leta 2019 prejeli Nobelovo nagrado za kemijo.
Napredek in prednosti litij-ionskih baterij
Neutrudno iskanje tehnološkega napredka je privedlo do pomembnih izboljšav litij-ionskih baterij. Proizvajalci nenehno delajo na povečanju energijske gostote teh baterij in s tem na večji učinkovitosti, kar omogoča hitrejše čase polnjenja ter zagotavlja višje varnostne standarde. Tako postopoma nadomeščajo motorje z notranjim izgorevanjem in hkrati izkoriščajo moč čistih virov energije.
- Visoka energijska gostota teh baterij pomeni, da lahko shranijo veliko količino energije v relativno majhnem, kompaktnem in lahkem ohišju. To je še posebej pomembno v transportni industriji, kjer sta prostor in teža ključna za optimizacijo zmogljivosti električnih vozil.
- Možnost hitrega polnjenja je ena najpomembnejših prednosti litij-ionskih baterij. Z napredkom tehnologije polnjenja se vozila, opremljena s temi baterijami, polnijo že tako hitro, da to skoraj ne vpliva na delovni proces. Proizvajalci v ta segment vlagajo veliko naporov, zato lahko v bližnji prihodnosti pričakujemo, da se bodo baterije napolnile v približno enakem času, kot je potrebno za točenje goriva.
- Daljša življenjska doba baterije v primerjavi s klasičnimi svinčeno-kislinskimi baterijami. Podaljšana življenjska doba omogoča lastnikom električnih vozil več let zanesljive uporabe, preden je potrebna zamenjava. Ta dejavnik vzdržljivosti pomembno prispeva k skupni ekonomičnosti električnih vozil. Zato se ni treba bati niti nakupa rabljenih električnih viličarjev.
- Izboljšane varnostne funkcije so izjemno pomembne pri tehnologiji baterij, litij-ionske baterije pa so na tem področju dosegle velik napredek. Proizvajalci so uvedli različne varnostne funkcije, kot so sistemi za upravljanje toplote in nadzor baterije, da bi zagotovili varno delovanje v različnih pogojih.
Litij-ionske baterije še niso dosegle svojega končnega potenciala
Energijska gostota predstavlja količino energije, ki jo je mogoče shraniti v določeni prostornini ali teži, in se izraža v Wh/kg (vatne ure na kilogram). Litij-ionske baterije so v tem segmentu neprimerljivo boljše od drugih baterij, ki so trenutno na trgu. Njihova energijska gostota se najpogosteje giblje v razponu od 100–265 Wh/kg, v nekaterih primerih pa celo do 315 Wh/kg. Za razliko od nikl-kadmijevih ali nikl-metal-hidridnih baterij litijeve baterije omogočajo veliko več ciklov polnjenja in več let ohranjajo svojo učinkovitost.
V avtomobilski industriji že dolgo ni več novost, da lahko nekatera električna vozila prevozijo tudi 500 kilometrov z enim samim polnjenjem baterije. Po drugi strani pa so znanstveniki z Univerze v Pensilvaniji uspeli razviti tehnologijo, s katero se baterija napolni v samo desetih minutah, kar bi lahko rešilo enega največjih izzivov transporta – dolge čase polnjenja. Prodaja električnih avtomobilov je leta 2019 presegla 2,1 milijona (2,6 odstotka globalne prodaje avtomobilov) in ta številka nenehno narašča.
Raziskave potekajo tudi na področju baterij za letala, drone in satelite. V Združenih državah Amerike trenutno deluje kar trikrat več znanstvenikov, ki razvijajo te baterije, kot jih je bilo pred desetimi leti. Prototipi električnih letal so že sposobni prepeljati potnike tudi do 1000 kilometrov z enim samim polnjenjem baterije.
Zelo pomemben je tudi ekonomski vidik. Cene teh baterij, ki se večinoma proizvajajo v Aziji in Ameriki, so v zadnjih desetih letih padle za več kot 80 odstotkov. Tudi druge, kot so baterije za viličarje, so danes cenovno veliko dostopnejše kot pred nekaj leti. Napovedi kažejo, da se bo do leta 2025 povpraševanje po litiju skoraj potrojilo. Te baterije imajo velik potencial, da v prihodnosti omogočijo življenje na planetu, ki bo temeljilo na 100-odstotno obnovljivih virih energije.
Litij-ionske baterije ne izgubljajo kapacitete napolnjenosti
Znano je, da baterije sčasoma izgubijo svojo moč oziroma kapaciteto napolnjenosti. Litijeve baterije, ki se uporabljajo za široko potrošnjo, začnejo izgubljati kapaciteto šele po približno 500 ciklih polnjenja in praznjenja. Pri baterijah, ki so vgrajene v električna vozila, pa je situacija še boljša.
Velika analiza podjetja Geotab kaže, da je degradacija litij-ionskih baterij v vozilih tako počasna, da večina baterij danes preseže življenjsko dobo samega vozila.
Izguba kapacitete je majhna, približno od 1,6 do 2,5 odstotka na leto, razveseljivo pa je tudi dejstvo, da vozila z veliko uporabo niso pokazala bistveno večje degradacije baterij.
Kljub temu pa je za dolgo življenjsko dobo priporočljivo, da je baterija večino časa napolnjena med 20 in 80 odstotki. V tem območju baterije zdržijo najdlje.
Tega se zavedajo tudi proizvajalci vozil, zato večina sistemov zagotavlja, da se baterije nikoli ne napolnijo ali izpraznijo povsem do konca. Če vam prikazuje, da je baterija napolnjena 100 odstotkov, je v resnici najverjetneje napolnjena nekaj nad 90 odstotkov.
Litijeve baterije tudi zelo dobro zadržujejo energijo. Izpraznijo se le za približno 1,5 do 2 odstotka na mesec. Za primerjavo – svinčene baterije izgubijo približno 5 odstotkov v enem mesecu, medtem ko lahko baterije na osnovi niklja izgubijo tudi do 15 odstotkov v enem dnevu. Tako lahko litij-ionska baterija, če je popolnoma napolnjena in se ne uporablja, po enem letu ohrani več kot 80 odstotkov energije.
Ena najpomembnejših lastnosti je tudi njihova majhna teža, ki je omogočila, da je svet postal tako brezžičen in prenosljiv. Predstavljajte si, da bi vaš mobilni telefon tehtal okoli 5 kilogramov – hitro bi vam postal odveč.
Litij-ionske baterije in različne tehnologije
Litij-železov fosfat je bila ena prvih komercializiranih tehnologij, vendar ni imela dovolj visoke energijske gostote, da bi se obdržala v električnih vozilih. Litij-manganov oksid (LMO) je še ena, danes že starejša tehnologija z veliko močjo, vendar z manjšo energijsko gostoto. Nove baterije, izdelane s to tehnologijo, so primerne za električna kolesa in skiroje. Litij-mangan (LMR) vsebuje veliko mangana, kar mu daje visoko energijsko gostoto. Litij-žveplo se najpogosteje uporablja v dronih in ima zelo visoko energijsko gostoto.
Litijeve baterije v trdnem stanju predstavljajo naslednji korak v razvoju te tehnologije. Elektrolit ni tekoč, zato se ne more vžgati, kar bistveno povečuje varnost. V primeru prometnih nesreč takšne baterije ne bi smele zagoreti. Poleg večje varnosti so tudi močnejše in omogočajo večji doseg električnih vozil. Trenutna pomanjkljivost teh baterij je daljši čas polnjenja, vendar so nekatera avtomobilska podjetja že napovedala vozila s to tehnologijo.
Najpogostejše tehnologije litij-ionskih baterij:
- Litij-nikelj-mangan-kobalt oksid (NMC katoda)
- Litij-nikelj-kobalt-aluminij (NCA katoda)
- Litij-kobalt oksid (LCO katoda), ekskluzivna potrošniška elektronika
- Litij-železov fosfat (LFP katoda)
- Litij-manganov oksid (LMO katoda)
- Litij-žveplo (Li-S, žveplova katoda)
- Kovinski litij (anoda), trdno stanje
- Litij-titanat (LTO anoda)
Litij-ionske baterije so viličarje naredile še učinkovitejše
Viličarji imajo ključno vlogo v različnih industrijah, od skladiščenja do proizvodnje. Tradicionalno so viličarje poganjale svinčeno-kislinske baterije, vendar je v zadnjih letih prišlo do pomembnega premika k uporabi litij-ionskih baterij, ki lahko shranijo več energije v enaki količini prostora. To omogoča viličarjem, paletnim vozičkom in električnim viličnim zlagalnikom, da delujejo dlje brez potrebe po pogostem polnjenju.
Prednosti litijevih baterij v viličarjih:
- Daljša življenjska doba – litij-ionske baterije imajo bistveno daljšo življenjsko dobo v primerjavi s svinčenimi baterijami. Zdržijo več ciklov polnjenja in praznjenja, kar zmanjšuje potrebo po zamenjavah in dolgoročno prihrani sredstva.
- Manj vzdrževanja – te baterije zahtevajo minimalno vzdrževanje, za razliko od svinčeno-kislinskih baterij, ki zahtevajo redno dolivanje vode in izenačevanje. To zmanjšuje potrebo po ročnem poseganju in operaterjem prihrani dragocen čas.
- Več prostora – kompakten in prostorsko učinkovit dizajn litij-ionskih baterij omogoča večjo kapaciteto skladiščenja v viličarjih. To je še posebej koristno v ozkih skladiščnih prostorih, kjer je pomembna maksimalna kompaktnost.
- Varnejše delovanje – te baterije lahko delujejo pri ekstremnih temperaturah, tako visokih kot nizkih, brez bistvenega vpliva na zmogljivost. Primerne so za viličarje, ki delujejo v različnih delovnih pogojih.
- Manjša teža – litijeve baterije so bistveno lažje, kar zmanjšuje skupno težo viličarja. To izboljšuje upravljanje viličarja in paletnega vozička ter povečuje energetsko učinkovitost.
- Nižji skupni stroški – čeprav imajo litij-ionske baterije lahko višjo začetno ceno, njihova daljša življenjska doba, manjše potrebe po vzdrževanju in večja energetska učinkovitost privedejo do nižjih skupnih stroškov skozi celotno življenjsko dobo baterije.
Litij-ionske baterije so prihodnost sveta
Litij-ionske baterije so nedvomno povzročile revolucijo v proizvodnji električnih vozil in transporta. Tehnologija baterij, ki se nenehno razvija, še naprej premika meje tega, kar lahko litij-ionske baterije dosežejo. Ker raziskovalci in proizvajalci nenehno stremijo k izboljšavam, je na obzorju več obetavnih napredkov.
Trdnostne litijeve baterije (solid-state) pritegujejo veliko pozornosti zaradi svojega potenciala za povečanje varnosti in energijske gostote. Z zamenjavo tradicionalnega tekočega elektrolita s trdnim elektrolitom se lahko zmanjša tveganje za uhajanje in pregrevanje, kar vozila naredi še varnejša.
Potekajo tudi prizadevanja za razvoj rešitev za še hitrejše polnjenje litij-ionskih baterij, kar bistveno skrajša čas, potreben za popolno polnjenje. Ta napredek bo električna vozila naredil še privlačnejša za uporabnike, ki cenijo časovno učinkovitost.
Raziskovalci z Inštituta za tehnologijo v Illinoisu so razvili litij-zračno baterijo, ki bi lahko omogočila sanje vsakega voznika – več kot 1000 kilometrov dosega z enim samim polnjenjem. Ta baterija s trdnim elektrolitom bi lahko povzročila revolucijo tudi v transportu, saj je primerna za električne tovornjake in celo za uporabo v letalskem prometu pri novih generacijah potniških in transportnih letal.
Kot odgovor na skrbi glede vpliva proizvodnje in odlaganja baterij na okolje se industrija vse bolj osredotoča na trajnostne prakse in pobude za recikliranje. Z optimizacijo postopkov recikliranja baterij je mogoče ponovno uporabiti dragocene materiale, zmanjšati potrebo po novih surovinah in omejiti količino odpadkov.