Înainte de a trece la citire, numărați câte dispozitive cu baterii sunt în apropierea dvs. pe o rază de câțiva metri. Cu siguranță, veți vedea un smartphone, tabletă, ceas „inteligent”, tracker de fitness, laptop, mouse wireless? Toate aceste dispozitive conțin baterii cu litiu-ion - invenția lor poate fi considerată una dintre cele mai importante evoluții în domeniul energiei.
Bateriile ușoare, de mare capacitate și compacte cu litiu-ion au alimentat un boom al electronicelor portabile, care era anterior imposibilă. Doar că gadgeturile au făcut un salt tehnologic fantastic în ultimii 30 de ani, iar bateriile moderne cu ioni de litiu sunt aproape indistinguibile față de primele modele de producție de la începutul anilor ’90. Cine și cum a inventat bateriile reîncărcabile cu ioni de litiu, ce compuși sunt folosiți în ele și există o conspirație la nivel mondial împotriva bateriilor „eterne”? Să povestim.
Legenda primei baterii
Poate că două milenii au trecut între prima încercare de producere a energiei electrice prin mijloace chimice și crearea de baterii cu ioni de litiu. Există o presupunere neconfirmată că prima celulă galvanică creată de om din istoria omenirii a fost „bateria Bagdad”, găsită în 1936 lângă Bagdad de către arheologul Wilhelm König. O descoperire care datează din secolele II-IV î. Hr. e. este un vas de pământ în care există un cilindru de cupru și o tijă de fier, spațiul dintre care ar putea fi umplut cu „electrolit” - acid sau alcalin. Reconstituirea modernă a descoperirii a arătat că la umplerea unui vas cu suc de lămâie se poate atinge o tensiune de până la 0,4 volți.
Bateria Bagdad este destul de asemănătoare cu o baterie portabilă. Sau un caz de papirus?
La ce ar putea fi utilizată „bateria Bagdad” dacă mai rămăseseră câteva mii de ani înainte de descoperirea electricității? Poate că a fost folosit pentru a aplica cu exactitate aurul pe statuete prin galvanizare - curentul și tensiunea din „baterie” sunt suficiente pentru asta. Cu toate acestea, aceasta este doar o teorie, pentru că nu s-a ajuns la nicio dovadă a utilizării energiei electrice și a acestei „baterii” de către popoarele antice: la vremea respectivă aurirea era aplicată prin amalgamare, iar vasul neobișnuit în sine ar putea fi la fel de bine doar un container protejat pentru defilări.
Teoria micului bang
Video promotional:
Proverbul rus „Nu ar exista fericire, dar ghinionul ajutat” este cea mai bună metodă de a ilustra progresul lucrului pe baterii cu litiu. Fără un incident neașteptat și neplăcut, dezvoltarea de noi baterii ar putea amâna câțiva ani.
În anii '70, britanicul Stanley Whittingham, care lucra pentru compania de combustibili și energie Exxon, a folosit un anod sulfurat de titan și un catod de litiu pentru a crea o baterie de litiu reîncărcabilă. Prima baterie de litiu reîncărcabilă a prezentat indicatori de tensiune și tensiune tolerabili, doar ocazional a explodat și a otrăvit cei din jurul ei cu gaz: disulfura de titan, când a fost în contact cu aerul, a eliberat hidrogen sulfurat, care este cel puțin neplăcut să respire și cel mai periculos. În plus, titanul a fost foarte scump în orice moment, iar în anii ’70 prețul disulfurii de titan era de aproximativ 1000 de dolari pe kilogram (echivalentul a 5000 de dolari pe vremea noastră). Nu mai vorbim de faptul că litiu metalic arde în aer. Așa că Exxon a transformat proiectul lui Whittingham din calea păcatului.
În 1978, Koichi Mizushima, cu doctoratul său în fizică, făcea cercetări la Universitatea din Tokyo, când a primit o invitație de la Oxford să se alăture echipei lui John Goodenough în căutarea de noi materiale pentru anodurile bateriei. A fost un proiect foarte promițător, deoarece potențialul surselor de alimentare cu litiu era deja cunoscut, dar nu era cu adevărat posibil să îmblânzească metalul capricios - experimentele recente ale lui Whittingham au arătat că începutul producției în masă a râvnitului baterii cu litiu-ion era încă departe.
Bateriile experimentale foloseau un catod de litiu și un anod sulfurat. Superioritatea sulfurilor față de alte materiale din anode a pus direcția către Mizushima și colegii săi. Oamenii de știință au comandat un laborator de producție de sulfuri la fața locului în laboratorul lor să experimenteze mai rapid cu diverși compuși. Lucrările cu soba nu s-au încheiat bine: într-o zi a explodat și a provocat un incendiu. Incidentul a obligat echipa de cercetare să-și reconsidere planurile: poate sulfidele, în ciuda eficacității lor, nu au fost cea mai bună alegere. Oamenii de știință și-au îndreptat atenția către oxizi, care erau mult mai siguri de sintetizat.
După multe teste cu diverse metale, inclusiv fier și mangan, Mizushima a constatat că oxidul de cobalt de litiu a avut cele mai bune rezultate. Cu toate acestea, trebuie să fie folosit diferit de modul în care echipa lui Goodenough și-a asumat anterior - pentru a nu căuta un material care absoarbe ionii de litiu, ci un material care renunță cu cea mai bună voință a ionilor de litiu. Cobaltul a fost, de asemenea, mai bine adaptat decât alții, deoarece îndeplinește toate cerințele de siguranță și crește, de asemenea, tensiunea celulei la 4 volți, adică de două ori mai mult decât versiunile anterioare ale bateriilor.
Utilizarea cobaltului a fost cea mai importantă, dar nu ultimul pas în dezvoltarea bateriilor cu litiu-ion. După ce s-au confruntat cu o problemă, oamenii de știință s-au confruntat cu o alta: densitatea curentă era prea mică pentru ca utilizarea celulelor litiu-ion să fie justificată economic. Și echipa, care a făcut o descoperire, a făcut a doua: când grosimea electrozilor a fost redusă la 100 microni, a fost posibilă creșterea rezistenței actuale la nivelul altor tipuri de baterii, în timp ce cu o dublă tensiune și capacitate.
Primii pași comerciali
Povestea invenției bateriilor cu litiu-ion nu se termină aici. În ciuda descoperirii lui Mizushima, echipa Goodenough nu avea încă o probă pregătită pentru producția în masă. Datorită utilizării litiului metalic în catod, în timpul încărcării bateriei, ionii de litiu s-au întors la anod nu într-un strat egal, ci în dendrite - lanțuri de relief, care, în creștere, au provocat un scurtcircuit și artificii.
În 1980, savantul marocan Rachid Yazami a descoperit că grafitul face o treabă excelentă de a fi catod, în timp ce este absolut ignifugat. Însă electroliții organici care existau la acel moment s-au descompus rapid la contactul cu grafitul, astfel încât Yazami i-a înlocuit cu un electrolit solid. Catodul grafit al lui Yazami s-a inspirat din descoperirea conductivității polimerilor de către profesorul Hideki Shirakawa, pentru care a primit premiul Nobel pentru chimie. Iar catazul grafit Yazami este încă utilizat în majoritatea bateriilor cu ioni de litiu.
Ne lansăm în producție? Și din nou nu! Au fost necesari încă 11 ani, cercetătorii au îmbunătățit siguranța bateriei, au crescut tensiunea, au experimentat diferite materiale catodice înainte ca prima baterie cu litiu-ion să fie scoasă la vânzare.
Designul comercial a fost dezvoltat de Sony și gigantul chimic japonez Asahi Kasei. Era bateria pentru camera video Sony CCD-TR1 de film amator. A rezistat 1000 de cicluri de încărcare, iar capacitatea reziduală după o astfel de uzură a fost de patru ori mai mare decât cea a unei baterii de nichel-cadmiu de același tip.
Bloc de cobalt
Înainte de descoperirea lui Koichi Mizushima de oxid de litiu-cobalt, cobaltul nu era un metal foarte căutat. Principalele sale zăcăminte au fost găsite în Africa în statul cunoscut acum drept Republica Democrată Congo. Congo este cel mai mare furnizor de cobalt - 54% din acest metal este extras aici. Datorită agitației politice din țară în anii '70, prețul cobaltului a crescut cu 2000%, dar ulterior a revenit la valorile sale anterioare.
Cererea mare creează prețuri ridicate. Nici în anii 1990, nici în anii 2000, nu a fost cobaltul unul dintre principalele metale de pe planetă. Dar ce a început cu popularizarea smartphone-urilor în anii 2010! În 2000, cererea de metal a fost de aproximativ 2.700 tone pe an. Până în 2010, când iPhone-urile și smartphone-urile Android au triumfat pe întreaga planetă, cererea a sărit la 25.000 de tone și a continuat să crească an de an. Numărul de comenzi depășește de 5 ori volumul de cobalt vândut. Pentru referință: mai mult de jumătate din cobaltul extras din lume merge la producția de baterii.
Graficul prețurilor de cobalt din ultimii 4 ani. Comentariile sunt de prisos. Sursa: Elec.ru
Dacă în 2017, prețul pe tonă de cobalt a însumat 24.000 de dolari, atunci din 2017 a urcat brusc în sus, atingând un maxim de 95.500 USD în 2018. Deși smartphone-urile folosesc doar 5-10 grame de cobalt, creșterea prețurilor metalelor a afectat costurile dispozitivelor.
Și acesta este unul dintre motivele pentru care producătorii de mașini electrice sunt preocupați de reducerea proporției de cobalt în bateriile auto. De exemplu, Tesla a redus masa metalului rar de la 11 la 4,5 kg pe mașină, iar în viitor intenționează să găsească formulări eficiente fără cobalt. Prețul cobaltului, care a crescut anormal de ridicat până în 2019, a scăzut la valorile anului 2015, dar dezvoltatorii de baterii și-au intensificat activitatea pentru eșecul sau reducerea proporției de cobalt.
În bateriile tradiționale cu ioni de litiu, cobaltul reprezintă aproximativ 60% din masa totală. Formularea litiu-nichel-mangan folosită la automobile conține între 10% și 30% cobalt, în funcție de caracteristicile dorite ale bateriei. Compoziția litiu-nichel-aluminiu - doar 9%. Cu toate acestea, aceste amestecuri nu sunt un înlocuitor complet pentru oxidul de litiu-cobalt.
Probleme cu Li-Ion
Diferite tipuri de baterii cu ioni de litiu sunt cele mai bune baterii pentru majoritatea consumatorilor din ziua de azi. Capazios, puternic, compact și ieftin, au în continuare dezavantaje grave care le limitează utilizarea.
Pericol de foc
Pentru o funcționare normală, o baterie cu litiu-ion necesită un controler pentru a preveni supraîncărcarea și supraîncălzirea. În caz contrar, bateria se transformă într-un lucru foarte periculos, care tinde să se umfle și să explodeze în căldură sau când este încărcat de la un adaptor de proastă calitate. Pericolul de explozie este poate dezavantajul principal al bateriilor cu ioni de litiu. Pentru a crește capacitatea, aranjamentul este sigilat în interiorul bateriilor, datorită căruia chiar și o ușoară deteriorare a carcasei duce instantaneu la un incendiu. Toată lumea își amintește povestea senzațională cu Samsung Galaxy Note 7, în care, datorită etanșității din interiorul carcasei, carcasa bateriei a fost frântă în timp, oxigenul a pătruns în interior și smartphone-ul a fulgerat brusc. De atunci, unele companii aeriene nu au cerut decât să transportați baterii cu litiu-ion în bagajele de transport.iar pe zborurile de marfă, pachetele de baterii au un autocolant de avertizare mare.
Îmbătrânire
Bateriile cu ioni de litiu sunt susceptibile la îmbătrânire, chiar dacă nu sunt folosite. Prin urmare, un smartphone neambalat în vârstă de 10 ani, cumpărat ca articol de colecție, de exemplu, primul iPhone, va deține o încărcare mult mai mică datorită îmbătrânirii bateriei. Apropo, recomandările pentru menținerea bateriilor încărcate până la jumătate din capacitatea lor sunt justificate - cu o încărcare completă în timpul depozitării pe termen lung, bateria își pierde capacitatea maximă mult mai rapid.
Autodescărcare
Stocarea energiei în bateriile cu ioni de litiu și stocarea ei ani de zile este o idee proastă. În principiu, toate bateriile își pierd sarcina, dar bateriile cu ioni de litiu fac acest lucru în special rapid. În timp ce celulele NiMH pierd 0,08–0,33% pe lună, celulele Li-Ion pierd 2-3% pe lună. Astfel, într-un an, o baterie litiu-ion va pierde o treime din încărcarea sa, iar după trei ani va „coborî” la zero. Pentru a fi corect, să spunem că bateriile nichel-cadmiu sunt încă mai rele - 10% pe lună. Dar asta este o poveste complet diferită.
Sensibilitate la temperatură
Răcirea și supraîncălzirea afectează foarte mult parametrii unei astfel de baterii: +20 ° C sunt considerate temperatura ambientală ideală pentru bateriile cu ioni de litiu, dacă este redusă la +5 ° C, bateria va oferi dispozitivului 10% mai puțină energie. Răcirea sub zero preia zeci de procente din capacitate și afectează, de asemenea, sănătatea bateriei: dacă încercați să o încărcați, de exemplu, de la o bancă de energie, va apărea un „efect de memorie”, iar bateria va pierde irevocabil capacitatea din cauza formării de litiu metalic pe anod. La temperaturi medii de iarnă rusești, celula cu litiu-ion este nefuncțională - lăsați telefonul afară timp de o jumătate de oră în ianuarie pentru a fi siguri.
Pentru a face față problemelor descrise, oamenii de știință experimentează materiale cu anoduri și catode. La schimbarea compoziției electrozilor, o mare problemă este înlocuită cu probleme mai mici - siguranța la foc duce la o scădere a ciclului de viață, iar un curent ridicat de descărcare reduce consumul specific de energie. Prin urmare, compoziția pentru electrozi este selectată în funcție de câmpul de aplicare al bateriei.
Cine a furat revoluția?
În fiecare an, fluxurile de știri raportează un alt progres în crearea de baterii extrem de capabile și durabile - se pare că smartphone-urile vor funcționa un an fără să se încarce și să se încarce în zece secunde. Și unde este revoluția bateriei pe care oamenii de știință le promit tuturor?
Adesea, în astfel de rapoarte, jurnaliștii denaturează faptele, lăsând în evidență câteva detalii foarte importante. De exemplu, o baterie reîncărcabilă instantaneu poate avea o capacitate foarte mică, potrivită numai pentru a alimenta o alarmă de noptieră. Sau tensiunea nu atinge nici măcar un volt, deși pentru smartphone-uri aveți nevoie de 3,6 V. Și pentru a începe o viață, bateria trebuie să aibă un cost redus și o siguranță ridicată la incendiu. Din păcate, majoritatea covârșitoare a evoluțiilor au fost inferioare în cel puțin un parametru, motiv pentru care bateriile „revoluționare” nu au părăsit niciodată laboratorul.
La sfârșitul anilor 00, Toshiba a experimentat cu celule de combustibil cu metanol reîncărcabile (alimentarea bateriei cu metanol din fotografie), dar bateriile cu ioni de litiu erau încă mai convenabile.
Și, desigur, să lăsăm deoparte teoria conspirației „acumulatorii nesfârșiți nu sunt rentabili pentru producători”. În zilele noastre, bateriile din dispozitivele de consum sunt de neînlocuit (sau mai degrabă, pot fi schimbate, dar dificile). În urmă cu 10-15 ani, înlocuirea unei baterii deteriorate într-un telefon mobil a fost ușoară, dar apoi sursele de alimentare și-au pierdut foarte mult capacitatea după un an sau doi de utilizare activă. Bateriile moderne cu ioni de litiu durează mai mult decât ciclul mediu de viață al dispozitivului. În smartphone-uri, vă puteți gândi să înlocuiți bateria nu mai devreme decât după 500 de cicluri de încărcare, atunci când își pierde 10-15% din capacitatea sa. Și mai degrabă, telefonul în sine își va pierde relevanța înainte ca bateria să se defecteze definitiv. Adică producătorii de baterii câștigă bani nu prin înlocuirea lor, ci prin vânzarea bateriilor pentru dispozitivele noi. Așadar, o baterie „eternă” dintr-un telefon vechi de zece ani nu vă va dăuna afacerii.
Echipa Goodenough este din nou în acțiune
Ce s-a întâmplat cu oamenii de știință din grupul lui John Goodenough, care au descoperit oxid de litiu-cobalt și, prin urmare, au dat viață bateriilor eficiente de ioni de litiu?
În 2017, Goodenough, în vârstă de 94 de ani, a spus că a colaborat cu oamenii de știință de la Universitatea din Texas pentru a dezvolta un nou tip de baterie cu stare solidă care poate stoca de 5-10 ori mai multă energie decât bateriile anterioare cu litiu-ion. Pentru aceasta, electrozii au fost realizați din litiu pur și sodiu. Prețul scăzut este, de asemenea, promis. Dar încă nu există specificații și prognoze cu privire la începerea producției în masă. Având în vedere călătoria lungă dintre descoperirea grupului Goodenough și începutul producției în masă a bateriilor cu litiu-ion, se pot aștepta probe reale în 8-10 ani.
Koichi Mizushima își continuă activitatea de cercetare la Toshiba Research Consulting Corporation. „Privind în urmă, mă mir că nimeni înaintea noastră nu a ghicit să folosească un material atât de simplu precum oxidul de litiu-cobalt pe anod. Până atunci, mulți alți oxizi fuseseră încercați, deci, probabil, dacă nu pentru noi, atunci în câteva luni, altcineva ar fi făcut această descoperire”, a spus el.
Koichi Mizushima cu un premiu de la Royal Society of Chemistry of the Great Britain pentru contribuția sa la dezvoltarea bateriilor cu litiu-ion.
Istoria nu tolerează dispozițiile subjunctive, mai ales că însuși domnul Mizushima admite că un progres în crearea bateriilor cu litiu-ion a fost inevitabil. Dar este încă interesant să vă imaginați cum ar fi lumea electronică mobilă fără baterii compacte și capabile: laptopuri cu o grosime de câțiva centimetri, smartphone-uri uriașe care necesită încărcare de două ori pe zi și fără ceasuri inteligente, brățări fitness, camere de acțiune, cvadoptere, etc. chiar și vehicule electrice. În fiecare zi, oamenii de știință din întreaga lume aduc o revoluție energetică mai strânsă, care ne va oferi baterii mai puternice și mai compacte, iar odată cu ele - o electronică incredibilă, la care nu putem decât să visăm.
