Warto przeczytać

OgniwaOgniwoOgniwa litowo‑jonowe (Li‑ion) zaliczają się do rodziny ogniw elektrochemicznych. Ogniwo elektrochemiczne jest urządzeniem, które przekształca energię chemiczną w energię elektryczną (lub odwrotnie). Aby dowiedzieć się, w jaki sposób ta przemiana zachodzi w ogniwie litowo‑jonowym, zajrzyj do e‑materiału „Co warto wiedzieć o ogniwach litowo‑jonowych?”. W tym e‑materiale skupimy się na zastosowaniach ogniw Li‑ion.

Podstawowym zastosowaniem ogniw litowo‑jonowych jest zasilanie urządzeń mobilnych. Jeśli czytasz ten e‑materiał na smartfonie, tablecie czy laptopie, to korzystasz z urządzenia zasilanego bateriąBateriabaterią Li‑ion. Dodatkowo baterie te znajdziemy w samochodach i autobusach elektrycznych, a także w urządzeniach budowlanych, takich jak wiertarki i wkrętarki. Takie zastosowania wynikają z pewnych cech ogniw litowo‑jonowych:

1. Ogniwa te można wielokrotnie rozładowywać i ładować. Baterie wykorzystywane w urządzeniach powinny utrzymywać swoje parametry nawet po kilkuset cyklach pracy.

2. Ogniwa te cechują się wysoką wolumetryczną gęstością energii. Wolumetryczna gęstość energii to ilość zmagazynowanej w ogniwie „użytecznej” energii chemicznej, która może zostać przekształcona w energię elektryczną, podzielona przez objętość ogniwa. Oznacza to, że jeżeli taką samą ilość energii będziemy chcieli zmagazynować w ogniwach różnego rodzaju (np. Ni‑Cd, Ni‑MH), to ogniwo litowo‑jonowe przy ustalonej wartości energii będzie cechowało się mniejszą, w porównaniu z innymi, objętością. Parametr ten jest bardzo ważny, jeśli dysponujemy ograniczoną ilością miejsca na instalację baterii – np. w smartfonie lub pod maską samochodu elektrycznego.

3. Grawimetryczna gęstość energii ogniw Li‑ion również jest wysoka. Oznacza to, że można zmagazynować w nich dużo energii na jednostkę masy. Jest to istotne w sytuacji, gdy zależy nam na jak najmniejszej masie całego urządzenia. Przykładowo, samochód elektryczny powinien być możliwie lekki. Zmniejszenie masy samochodu powoduje zmniejszenie siły tarcia działającej na samochód podczas ruchu. Oznacza to, że mniej energii z baterii przeznaczamy na wykonanie pracy przeciwko siłom tarcia.

4. Obecna technologia wytwarzania ogniw Li‑ion umożliwia budowę bezpiecznych baterii, w których ryzyko zapłonu lub uszkodzenia jest zredukowane do minimum.

R1aZV2005pLXc

Rys. 1. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest samochód elektryczny podczas tankowania. Na zdjęciu widoczny jest biały, prawy bok oraz tył samochodu elektrycznego. Na klapie bagażnika samochodu widoczny jest napis electric drive, który jest charakterystyczny dla samochodów o napędzie akumulatorowym. Na prawym boku samochodu, w tylnej części widoczna jest mała otwarta klapka, do której podłączono żółty przewód służący do ładowania akumulatorów pojazdu. Przewód podłączony jest do stacji ładowanie widocznej w postaci prostokątnego słupka w kolorze niebieskim. W tle widoczny jest jeszcze jeden, taki sam samochód podłączony do stacji ładowania.

Rozwój technologii ogniw Li‑ion umożliwił poprawę właściwości tych ogniw – mogą być one mniejsze, lżejsze, bezpieczniejsze i jednocześnie magazynować więcej energii. Dzięki temu wydłuża się czas pracy urządzeń mobilnych na jednym ładowaniu. Ponadto, możliwe jest wykorzystanie w takich urządzeniach elementów posiadających większe zapotrzebowanie na energię, ale poprawiających nasz komfort korzystania z nich.

Weźmy jako przykład telefony komórkowe (Rys. 2.). Jeszcze kilkanaście lat temu, wyposażone one były w niewielkie, czarnobiałe ekrany, a same aparaty cechowały się dużym rozmiarem. Z biegiem lat, czarno‑białe ekrany były wypierane przez kolorowe, a rozmiar urządzeń zmniejszał się. Pierwsze smartfony w formie zbliżonej do znanej obecnie pojawiły się na przełomie dekady 2000/2010. Od tamtej pory w smartfonach zwiększają się rozmiary wyświetlaczy oraz pojawiają się dodatkowe funkcje (m.in. aparaty fotograficzne, GPS, Bluetooth, odbiorniki Wi‑Fi, akcelerometry, magnetometry itd.). Obecnie smartfon jest urządzeniem wielofunkcyjnym – umożliwia połączenia telefoniczne, korzystanie z Internetu, słuchanie muzyki, korzystanie z nawigacji… Wszystkie te elementy powodują zwiększone zużycie energii. Nie byłby zatem możliwy taki rozwój funkcjonalności naszych smartfonów, gdyby nie jednoczesny rozwój technologii Li‑ion!

Rx2KvIdgL0olB

Rys. 2. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widocznych jest dwanaście telefonów komórkowych. Telefony komórkowe a ułożone są obok siebie, na drewnianej powierzchni. Po lewej stronie widoczne są starsze modele telefonów komórkowych z przyciskami. Bardziej poprawy, widoczne są nowoczesne telefony komórkowe z ekranami dotykowymi. Zdjęcie przedstawia ewolucję telefonów komórkowych, w ciągu ostatniego ćwierćwiecza. Niezależnie od czasu telefon komórkowy wyposażony jest w baterię, która jest formą magazynowania energii.

Poprawa parametrów baterii litowo‑jonowych sprawiła także, że samochody elektryczne stają się konkurencyjne względem samochodów spalinowych. Istotnym parametrem dla samochodów jest cena wytworzenia jednej watogodziny energii (podaje się ją zazwyczaj w $/Wh, dolarach na Wh). W samochodach spalinowych energia ta pochodzi ze spalania paliwa. Wiemy jednak, że spalanie paliwa wprowadza do atmosfery dwutlenek węgla przyczyniający się do wzrostu globalnego ocieplenia, a także inne trujące gazy, takie jak tlenki azotu czy siarki. Wreszcie, wydobycie ropy naftowej, która przetwarzana jest m.in. na benzynę, jest bardzo dużym obciążeniem dla środowiska naturalnego. Do niedawna cena ropy naftowej była niewielka, co sprawiało, że samochody spalinowe cechowały się niską ceną za Wh energii. Samochody te z tego powodu dominują na rynku, pomimo niebezpieczeństwa dla środowiska, jakie stwarzają. Dzięki rozwojowi technologii Li‑ion maleją ceny gotowych baterii i rośnie ich pojemność, przez co cena 1 Wh energii z baterii litowo‑jonowej staje się już porównywalna z ceną 1 Wh energii uzyskanej ze spalania benzyny. Spójrz na Rys. 4., przedstawiający jak zmieniały się parametry ogniw Li‑ion w latach 1991‑2005. W ciągu 14 lat grawimetryczna gęstość energii wzrosła ponad dwukrotnie, wolumetryczna gęstość energii – 2,5‑krotnie, a koszt za Wh zmalał ponad 6 razy! Obecnie (w 2020 roku) koszty są jeszcze niższe – cena jednej watogodziny to ok. 0,15 dolara! Prognozuje się, że pomiędzy rokiem 2035 a 2040 na drogach zacznie jeździć więcej samochodów elektrycznych niż spalinowych.

R1aWpFh1owsGA

Rys. 3. Ilustracja przedstawia wykres, prezentujący zmiany parametrów ogniw litowo jonowych w latach tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiąt jeden do dwa tysiące pięć. Wykres narysowany jest szarymi liniami. Na wykresie widoczne są trzy funkcje, narysowane różnymi kolorami. Niebieska funkcja przedstawia zmiany gęstości energii, czyli zmiany ilości energii zmagazynowanej w baterii przypadającej na jednostkę objętości. Z wykresy tej funkcji można odczytać, że wartość ta w ciągu analizowanych czternastu lat wzrosła od około dwustu watogodzin na litr o sto około pięćdziesiąt procent. Druga funkcja, narysowana czerwonym kolorem prezentuje zmiany ilości zmagazynowanej energii przypadającej na jednostkę masy. Wartość tej funkcji również rosła w czasie, od około stu watogodzin na pięć dziesiątych kilograma w tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiątym pierwszym roku do dwustu watogodzin na kilogram w dwa tysiące piątym roku. Ostatnia funkcja narysowana jest zielonym kolorem. Przedstawia ona cenę wyrażoną w dolarach przypadającą na pojemność wyrażoną w watogodzinach. Wartość ta maleje od sześciuset dolarów w tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiątym drugim roku do około pięćdziesięciu dolarów w dwa tysiące piątym roku.

W tym momencie musimy rozwiać jeden z mitów dotyczących samochodów elektrycznych – często można spotkać się ze stwierdzeniem, że są one „ekologiczne”, bo nie dochodzi w nich do spalania benzyny, więc nie emitują do środowiska dwutlenku węgla i innych gazów. Zwróćmy jednak uwagę na jedną rzecz – baterię w samochodzie elektrycznym należy naładować. Ładowanie zazwyczaj odbywa się za pomocą prądu dostarczanego z sieci elektrycznej. Jeśli w danym państwie prąd wytwarzany jest ze źródeł ekologicznych – takich jak energia słoneczna czy wiatrowa lub wykorzystanie spadku wody – wtedy dopiero możemy powiedzieć, że samochody elektryczne zasilane taką energią są ekologiczne. Taki stan osiągnięto np. w Norwegii, gdzie 100% produkowanej energii pochodzi ze źródeł odnawialnych. Jako nieszkodliwe dla środowiska należy zaliczyć także elektrownie jądrowe, gdzie energia pochodzi z rozpadu atomów uranu. Elektrownie takie emitują do atmosfery tylko parę wodną. Dla porównania, w Polsce, w 2020 roku, jedynie 16% energii elektrycznej pochodziło ze źródeł odnawialnych. Pozostała część – z węgla kamiennego, brunatnego lub gazu ziemnego. Spalanie węgla, zwłaszcza brunatnego, powoduje emisję zanieczyszczeń do atmosfery (Rys. 5.). Samochody elektryczne zasilane energią wytworzoną w ten sposób nie mogą zatem zostać nazwane „ekologicznymi”, gdyż wytworzenie energii elektrycznej je zasilającej wiąże się z degradacją środowiska.

Rt5D1vFcuagtl

Rys. 4. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczna jest największa na świecie elektrownia spalająca węgiel brunatny znajdująca się w Bełchatowie. Na zdjęciu, w oddali widoczne są budynki elektrowni. Po lewej stronie widoczne są trzy szerokie i szare kominy. Bardziej po prawej stronie widoczny jest w postaci prostopadłościennego kształtu szary budynek elektrowni. Na środku i po prawej stronie widoczne są wyższe biało czerwone kominy, w których wydobywa się biały dym. Elektrownie węglowe są dużym obciążeniem dla środowiska ze względu na emisję dwutlenku węgla.

Przechodzimy w tym momencie do innego problemu, którego rozwiązaniem może być masowe wykorzystanie baterii Li‑ion. Ze względu na wspomniane powyżej zagadnienia ekologiczne związane ze spalaniem paliw nieodnawialnych (gazu, ropy, węgla) coraz więcej państw stara się odejść od nich i zastąpić źródła nieodnawialne – ekologicznymi, takimi jak energia słoneczna czy wiatrowa. Niestety jednak, z rozwiązaniem takim wiążą się poważne problemy:

• intensywność promieniowania słonecznego czy siła wiatru mogą zmieniać się z minuty na minutę, co powoduje gwałtowne zmiany mocy wytwarzanej w elektrowniach słonecznychFarma słoneczna/wiatrowasłonecznych i wiatrowychElektrownia wiatrowawiatrowych,

• długość dnia zmienia się wraz porą roku. Gdy dzień jest krótszy, możliwość wykorzystania paneli słonecznychPanel słonecznypaneli słonecznych staje się ograniczona.

Biorąc powyższe pod uwagę, okazuje się, że ilość mocy otrzymywana ze źródeł słonecznych czy wiatrowych zależy od pory dnia, pory roku i bieżących warunków atmosferycznych. Tymczasem zapotrzebowanie na moc elektryczną w danym kraju zależy zazwyczaj jedynie od pory dnia – najmniej energii elektrycznej zużywamy zwykle w nocy, a najwięcej – późnym popołudniem (Rys. 6.). Dodatkowo, nie możemy pozwolić, by moc dostarczana do sieci elektrycznej gwałtownie się zmieniała – jej ilość zawsze musi być wystarczająca, by pokryć bieżące zapotrzebowanie.

RfLYAiPgGa3dS

Rys. 5. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest wykres przedstawiający dzienne zapotrzebowanie na energię elektryczną w Kalifornii oraz produkcję energii z paneli słonecznych. Oś pionowa wykresu wyrażona jest w procentach do wartości maksymalnej sto procent. Oś pozioma przedstawia czas równy jednej dobie, podzielonej na pojedyncze godziny. Na wykresie widoczne są dwie krzywe. Jedna z nich jest niebieska i wyraża zapotrzebowanie na energię w poszczególnych porach dnia. Najmniejsza wartość funkcji obserwowana jest dla godzin nocnych i wczesno porannych. Od północy do piątej nad ranem to około sześćdziesięciu procent. W kolejnych godzinach zapotrzebowanie na energię rośnie i osiąga maksimum około godziny piątej po południu, równą sto procent. Następnie wartość funkcji spada, początkowo nieznaczne a później bardziej dynamicznie, by około północy przyjąć wartość w granicach sześćdziesięciu procent. Druga funkcja widoczna na wykresie narysowana jest kolorem pomarańczowy. Przedstawia ona produkcję energii w kolejnych godzinach doby. Funkcja ta przyjmuje wartość zero dla pór doby od północy do szóstej nad ranem i później od godziny piętnastej do północy. Maksimum wartości produkcji energii równe sto procent panele słoneczne wykazują około południa.

Na podstawie Rys. 5. rozważ prosty przykład – w Kalifornii najwięcej mocy elektrycznej z paneli słonecznych produkuje się w okolicach południa, co ma związek z wysokością Słońca na niebie i kątem padania promieni słonecznych na panele. Produkcja przekracza wtedy zapotrzebowanie – co oznacza, że część mocy trzeba przesłać, np. do innych stanów USA. Z kolei największe zapotrzebowanie występuje popołudniu i wieczorem, czyli wtedy, gdy panele słoneczne już praktycznie nie pracują. Wtedy z kolei należałoby importować moc spoza Kalifornii. Czy dostrzegasz słabość tego rozwiązania? Najpierw wysyłamy moc „na zewnątrz”, by w późniejszych godzinach sprowadzić ją z powrotem! Podczas takiego przesyłania część energii elektrycznej zamienia się na ciepło i jest bezpowrotnie tracona. I tu z pomocą przychodzą nam baterie litowo‑jonowe. Umożliwiają one magazynowanie energii, którą można wykorzystać w innym czasie. Jeśli obok farmy paneli słonecznych (lub wiatraków) zbudujemy farmę baterii litowo‑jonowych, to nadwyżka produkowanej energii nie musi być daleko wysyłana. Może być zmagazynowana w bateriach Li‑ion. Gdy przychodzi popołudnie i produkcja energii z paneli zmniejsza się, ta zmagazynowana w bateriach nadwyżka energii może być wykorzystana. W ten sposób można o wiele bardziej efektywnie wykorzystać energię ze słońca lub wiatru!

R1XZgUOqKtmXp

Rys. 6. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczna jest farma wiatrowa wraz z magazynem energii. Na ilustracji widoczny jest fragment krajobrazu pustynnego, na którym zbudowano wiele białych wiatraków. Wiatraki wprawione w ruch siłą ruchu powietrza wytwarzają prąd elektryczny. Energia wytworzona w tym procesie magazynowana jest w bateriach litowo jonowych. W przedniej części ilustracji widoczne są białe prostopadłościenne pomieszczenia, w których umieszczono owe baterie. Energia pozyskiwana z wiatru, uważana jest za energię ekologiczną i w pełni odnawialną. Najlepszymi miejscami do budowy farm wiatrowych są otwarte i równe przestrzenie.

Na mniejszą skalę, każdy z nas może zastosować baterie Li‑ion w swoim domu. Wyobraź sobie przydomową elektrownię – na dachu montujesz panele słoneczne, a energia elektryczna w nich wytwarzana jest magazynowana w baterii (Rys. 7.). Energię tę możesz wykorzystać w późniejszych godzinach, gdy panel słoneczny nie produkuje już energii elektrycznej. Czy widzisz zalety tego rozwiązania? Możliwe jest obniżenie rachunku za energię elektryczną, gdyż pewnej części potrzebnej energii nie trzeba pobierać z sieci energetycznej, lecz wytwarza się ją samodzielnie.

Jako ciekawostkę dodajmy, że w Polsce zastosowano także nieco inne rozwiązanie – osoba produkująca samodzielnie energię elektryczną i jednocześnie z niej korzystająca (tzw. prosument) może przesłać nadwyżkę energii do sieci elektrycznej. Za przekazaną energię prosumentowi płaci dostawca energii elektrycznej.

RRmQCsHz5bOVd

Rys. 7. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest domek umiejscowiony w górach. Domek widoczny jest w postaci prostopadłościennego budynku ze spadzistym dachem. Elewacja budynku jest koloru ciemno szarego. Spadzisty dach budynku jest jaśniejszy, ale również szary. Na dachu budynku widoczne są ciemne panele słoneczne służące do pozyskiwania energii ze słońca. Energia pozyskiwana z paneli fotowoltaicznych, jest uważana za energię ekologiczną i w pełni odnawialną. W tle ilustracji widoczne są dwa porośnięte zielenią szczyty górskie. Zdjęcie wykonano w trakcie słonecznego dnia. Najlepszymi miejscami do wykorzystania ogniw fotowoltaicznych są tereny o dużym nasłonecznieniu.

Podsumowując, baterie litowo‑jonowe, dzięki swoim parametrom, znalazły zastosowanie w urządzeniach mobilnych – laptopach, smartfonach, tabletach, wiertarkach… Wykorzystuje się je także w pojazdach elektrycznych, które mogą zastąpić emitujące zanieczyszczenia samochody spalinowe. Na wielką skalę baterie Li‑ion możemy wykorzystywać w instalacjach produkujących energię elektryczną z wiatru lub słońca. Umożliwiają one magazynowanie energii i stabilizację mocy – bateria może być ładowana mocą zmieniającą się w czasie. Natomiast podczas rozładowywania możemy uzyskać już stałą moc, zależną od naszych potrzeb. Baterie litowo‑jonowe to urządzenia bez których ciężko wyobrazić sobie ekologiczną przyszłość!

Słowniczek