Ako funguje Li-ion akumulátorový článok

Moderné technológie sú vo veľkej miere závislé na akumulátorových článkoch. Kapacita článkov určuje, ako dlho bude naše zariadenie alebo náradie pracovať bez potreby nabíjania. Zvýšenie kapacity predstavuje výzvu, pretože vyššia kapacita zvyšuje riziká - od prehriatia a chemickej degradácie materiálov až po fyzikálne limity ich stabilnej prevádzky. Našu pozornosť upriamime na lítium-iónové akumulátorové články, ktoré patria do skupiny sekundárnych článkov pozrieme sa bližšie na princíp ich fungovania a konštrukciu.

Sú známe svojou vysokou energetickou hustotou a efektivitou, ktorá je zabezpečená elektrochemickými procesmi prebiehajúcimi počas nabíjania a vybíjania. Tieto procesy zahŕňajú pohyb lítiových iónov medzi anódou a katódou cez elektrolyt a tvorbu elektrického prúdu, ktorý napája zariadenia.

História

Na začiatku 20. storočia bol zaznamenaný veľký potenciál lítia ako materiálu, ktorý tvorí hlavnú zložku článkov. Tento chemický prvok, ktorý disponuje nízkou hustotou a vysokým elektrochemickým potenciálom, začal byť predmetom experimentovania už v roku 1912 americkým chemikom a fyzikom Georgeom Newtonom Lewisom.

Prvý praktický pokus o vytvorenie lítium-iónového článku však nastal až v roku 1979, keď sa profesori John Goodenough a Kiochi Mizushima na Oxfordskej univerzite zamerali na elektrochemický proces, kde sa lítium mohlo vo forme iónov pohybovať medzi dvoma elektródami.

Princíp bol revolučný, pretože umožnil nabíjanie a vybíjanie bez veľkých chemických reakcií, ktoré by degradovali materiály. Vývoj pokračoval a v roku 1991 uviedla spoločnosť Sony na trh prvý komerčný lítium-iónový akumulátor. Jeho výhody napríklad oproti nikel-kadmiovým akumulátorom sú:

• vyššia energetická hustota: umožňuje efektívnejšie využitie energie na napájanie výkonnejších zariadení
• hmotnosť Li-ion článkov: vzhľadom na vyššiu energetickú hustotu, majú Li-ion články v porovnaní s NiCd článkami pri rovnakej kapacite približne o 50% nižšiu hmotnosť
• nízka miera samovybíjania: udržujú si kapacitu aj pri dlhodobom nepoužívaní
• dlhšia životnosť: zvládajú stovky nabíjacích cyklov bez výraznej straty kapacity
• absencia pamäťového efektu
• dopad na ekológiu: ani lítium nie je neškodné, avšak kadmium ako ťažký kov je veľmi toxický pre životné prostredie a zdravie

Tento pokrok otvoril dvere masovému rozšíreniu Li-ion akumulátorov v rôznych segmentoch priemyslu. Dnes sú považované za základný komponent moderných zariadení.

Ako fungujú Li-Ion batérie

Každý Li-ion článok obsahuje nasledovné časti:

Anóda (-) (obr. 1 A)
Anóda je záporná elektróda, zvyčajne vyrobená z grafitu. Počas nabíjania absorbuje lítiové ióny a ukladá ich medzi vrstvy grafitu (obr. 1 B).

Katóda (+) (obr. 1 C)
Katóda je kladná elektróda, vyrobená z materiálov na báze oxidov kovov, napr. oxid lítno-kobaltnatý alebo NMC (obr. 1 D). Jej úlohou je počas nabíjania uvoľniť lítiové ióny (obr. 1 E) a počas vybíjania ich prijať.

Elektrolyt (obr. 1 F)
Tekutina alebo gél, ktorý zabezpečuje prenos lítiových iónov medzi anódou a katódou. Elektrolyt obsahuje lítiovú soľ rozpustenú v organickom rozpúšťadle.

Separátor (obr. 1 G)
Tenká porézna membrána, ktorá fyzicky oddeľuje anódu a katódu. Zabraňuje skratu, ale umožňuje priechod lítiových iónov.

Obr. 1. Zloženie Li-ion článku

Proces nabíjania (obr. 2)

Počas nabíjania článok prijíma elektrický prúd z externého zdroja - nabíjačky a energia sa uloží v chemickej forme. Schéma s animáciou poskytuje detailné a prehľadné znázornenie celého procesu nabíjania akumulátora. Tento proces zahŕňa:

1. Presun lítiových iónov:
Lítiové ióny (Li⁺) sa pohybujú z katódy cez elektrolyt na anódu. Na anóde sa interkalujú (ukladajú) medzi vrstvy grafitu, kde vytvárajú stabilné chemické väzby.

2. Pohyb elektrónov:
Elektróny sa presúvajú vonkajším obvodom z katódy (+) na anódu (-), pretože elektrolyt neumožňuje prenos elektrónov. Tento pohyb vytvára elektrický prúd, ktorý slúži na nabíjanie článku.

3. Ukladanie energie:
Energia sa uloží v chemickej forme väzbami medzi lítiovými iónmi a uhlíkovými atómami v anóde (-).

Obr. 2. Proces nabíjania

Obr. 3. Proces vybíjania

Proces vybíjania (obr. 3)

Počas vybíjania článok dodáva energiu uloženú v chemickej forme do zariadenia. Vybíjací proces zahŕňa:

1. Presun lítiových iónov:
Lítiové ióny sa presúvajú z anódy cez elektrolyt na katódu. Na katóde reagujú s oxidmi kovov (napr. LiFeO6), čo uvoľňuje uloženú energiu.

2. Pohyb elektrónov:
Elektróny sa presúvajú vonkajším obvodom z anódy na katódu, čo generuje elektrický prúd, ktorý napája zariadenie.

3. Uvoľnenie energie:
Energia uložená v chemických väzbách sa uvoľňuje a premieňa na elektrický prúd, ktorý zariadenie používa na svoju činnosť.

4. Stabilizácia procesu:
Ako sa článok vybíja, riadiace obvody sledujú napätie a zaisťujú, že napätie neklesne pod bezpečnú hranicu, čo by mohlo článok poškodiť.

Riadiaca elektronika

Obr. 4. Li-ion akumulátor HERMAN

Moderné Li-ion články obsahujú riadiace obvody, ktoré sledujú napätie, prúd a teplotu, aby zabránili prehriatiu alebo prebitiu, ktoré by mohlo článok poškodiť. V akumulátoroch, ktoré pozostávajú zo sústavy článkov (obr. 4 A), je spravidla riadiaci obvod pre všetky články a ich súčasťou je aj tzv. balancer, ktorého úlohou je vyrovnávať napätie medzi jednotlivými článkami (obr. 4 B).

Tento proces zabezpečuje rovnomerné nabíjanie a vybíjanie všetkých článkov, čím sa predchádza ich preťaženiu alebo nedostatočnému využitiu. Balancer predlžuje životnosť akumulátora a zvyšuje jeho celkovú efektivitu tým, že zabraňuje nevyváženosti, ktorá by mohla viesť k degradácii článkov alebo zníženiu celkovej kapacity batérie.

Použitie Li-ion akumulátorov v akumulátorovom náradí

Li-ion akumulátory (obr. 5) našli široké uplatnenie v akumulátorovom náradí, ktoré je dnes neodmysliteľnou súčasťou výbavy dielní, stavieb či domácich kutilov. Ich výhody, ako je nízka hmotnosť, vysoká energetická hustota, dlhá životnosť a minimálne samovybíjanie, ich robia ideálnou voľbou pre rôzne typy náradia. V našej ponuke nájdete náradie s Li-ion akumulátormi, ktoré pokryje potreby nielen náročnejších majstrov, ale aj profesionálov.

Každý typ akumulátorového náradia má špecifické požiadavky na výkon a kapacitu akumulátora. Použitie optimálneho akumulátora je kľúčové pre zabezpečenie správneho fungovania náradia a dlhodobej efektívnosti. Vhodná voľba akumulátora sa odvíja od parametrov, ako sú napätie (V) a kapacita (Ah), ktoré určujú jeho výkon a výdrž.

Obr. 5. Akumulátory HERMAN

1. Akumulátorové skrutkovače a rázové uťahovače
Tieto náradia, napríklad HERMAN AXS-1080 (vŕtací skrutkovač) a HERMAN AXI-1080 (rázový skrutkovač), sa používajú pre menej náročné, ale časté úkony, ako je montáž nábytku alebo uťahovanie skrutiek. Pre tento typ náradia postačujú akumulátory s napätím 10,8V a kapacitou 2Ah. Vyššie napätie alebo kapacita by zbytočne zvyšovali hmotnosť a náklady, pričom by nepriniesli zásadné výhody.

2. Akumulátorové píly
Pri náradiach, ako sú HERMAN AXCS-1801 (okružná píla) alebo HERMAN AXRS-1800 (chvostová píla), je potrebné zabezpečiť dostatočný výkon najmä pre rezanie tvrdých materiálov. Tieto náradia vyžadujú akumulátory s napätím 18V a vyšším s kapacitou minimálne 4Ah, aby dokázali zabezpečiť dlhú prevádzku bez prerušenia. Použitie slabších akumulátorov, napríklad 10,8V / 2Ah, by bolo neefektívne, pretože by nezabezpečili dostatočný výkon pre náročné úlohy.

3. Uhlové brúsky a vŕtacie kladivá
Pre výkonné náradie, ako sú HERMAN AXAG-1800 (uhlová brúska) alebo HERMAN AXHD-1800 (vŕtacie kladivo), sú potrebné akumulátory s vysokým výkonom a kapacitou. Typicky sa využívajú akumulátory s napätím 18V a kapacitou 5–8Ah, čo umožňuje dlhšiu a intenzívnejšiu prácu. Slabší akumulátor by nedokázal zabezpečiť dostatočný výkon.

Pri výbere akumulátora je dôležité, aby zodpovedal očakávanému použitiu náradia:

• Poddimenzovaný akumulátor (napr. nízke napätie alebo kapacita) môže spôsobiť zníženie výkonu a kratšiu dobu prevádzky.
• Predimenzovaný akumulátor (napr. príliš vysoká kapacita pri malom náradí) môže zvýšiť hmotnosť a znížiť komfort pri práci bez reálneho využitia dodatočného výkonu.

Optimálne dimenzovanie akumulátora pre konkrétne náradie nielen zlepšuje efektivitu práce, ale aj predlžuje životnosť samotného akumulátora a náradia. Preto odporúčame vždy zvoliť akumulátor, ktorý je špeciálne navrhnutý pre konkrétny model náradia a zároveň zvážiť povahu a intenzitu plánovanej práce.

Pozrite si našu ponuku, kde nájdete akumulátorové náradie presne podľa vašich potrieb!

Záver

Li-ion články majú svoje fyzikálne a chemické obmedzenia, ktoré významne ovplyvňujú ich kapacitu, životnosť a bezpečnosť. Aj keď nové materiály, ako je kremíková anóda, pevnosť katód a inovatívne elektrolyty, prinášajú zvýšenie kapacity, stále ostávajú predmetom intenzívneho výskumu.

Budúcnosť akumulátorov spočíva v prekonávaní aktuálnych limitov prostredníctvom nových chemických zložení, ako sú napr. solid-state, alebo prostredníctvom alternatívnych koncepcií, ako sú články na báze lítium-síra alebo lítium-vzduch.

Technologický pokrok je nevyhnutný nielen pre výkonnosť a efektivitu, ale aj pre udržateľnosť a minimalizáciu environmentálnych dopadov. Spotrebitelia by sa mali zamerať na správne používanie a údržbu akumulátorov, aby maximalizovali ich životnosť a efektivitu.

Téme fyzikálnych a chemických obmedzení, správnej údržby a použitia Li-ion akumulátorov sa budeme venovať v našich budúcich článkoch.

Kľúčové slová: Li-ion akumulátory, Li-ion batérie, nabíjanie, akumulátor, akumulátorové náradie, HERMAN Battery Li-ion

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
https://letstalkscience.ca/educational-resources/stem-explained/how-does-a-lithium-ion-battery-work
https://www.tycorun.com/blogs/news/the-market-size-of-lithium-battery-structural-parts-in-china
https://sk.jingsun-power.com/info/lithium-battery-power-generation-principle-81498947.html
https://www.energy.gov/energysaver/articles/how-lithium-ion-batteries-work
https://www.evlithium.com/Blog/imr-icr-inr-ifr-18650-battery-differences.html

Mgr. Peter Halaj

Práca vo firme je mojím prvým zamestnaním a už takmer 25 rokov nič lepšie nepoznám. Začínal som v montérkach ako technik pre záručné a pozáručné opravy HERMAN náradia, niekoľko rokov som riadil úsek servisu, potom som sa zahryzol do logistiky, IT, programovania a venujem sa aj manažérstvu kvality. Nadobudnuté skúsenosti uplatňujem v súčasnosti pri neustálom vylepšovaní a zdokonaľovaní interných procesov a služieb pre zákazníka. Hlavu si rád „prečistím“ pri manuálnej práci vo svojej dielni alebo v sedle bicykla hltaním nespočetných kilometrov u nás na Gemeri a okolí.