Akumulatory wczoraj i dziś (2)

To jest drugi artykuł serii przybliżającej różne rodzaje akumulatorów. W poprzednim omówiłem zaskakująco długą historię akumulatorów kwasowo-ołowiowych oraz rozmaitych zasadowych. Poniższy artykuł przybliża historię i właściwości najpopularniejszych dziś akumulatorów litowych.

Historia akumulatorów jest fascynująca, ale nas najbardziej interesują różne odmiany akumulatorów litowych, bowiem one są dziś najpopularniejsze.

Akumulatory litowe

W ostatnich latach, na naszych oczach wystąpiła istna eksplozja popularności akumulatorów litowych. Obiecujące właściwości litu jako składnika baterii i akumulatorów znano od dawna. Problemem było opracowanie nie tylko praktycznie użytecznych, ale przede wszystkim bezpiecznych akumulatorów litowych.

Wcześniej na rynku pojawiły się jednorazowe ogniwa i baterie litowe. Długo nie potrafiono jednak zrealizować dobrych akumulatorów litowych. W latach 60. i 70. w różnych ośrodkach uniwersyteckich i w laboratoriach firmowych prowadzono intensywne badania, ale wyniki były słabe. Trzeba było przezwyciężyć kilka poważnych problemów, w tym możliwość samozapłonu bardzo aktywnego metalicznego litu. Dlatego powstanie najpopularniejszych dziś akumulatorów litowych jest dziełem wieloletnich prac szeregu naukowców.

W roku 2019 Nagrodę Nobla otrzymało trzech z nich (fotografia 1), ale trzeba przyznać, że znaczący wkład mieli też inni badacze.

Badania trwały co najmniej od lat 60., ale trzeba było licznych kolejnych kroków, żeby uzyskać praktycznie użyteczny akumulator litowy. I tak w roku 1974 M. Stanley Whittingham zrealizował tak zwane elektrody interkalacyjne, gdzie czynne jony litu niejako wsuwały się między warstwy siarczku tytanu.

Następny ważny krok około roku 1980 zrobił John Goodenough, używając w roli katody nie kłopotliwego siarczku tytanu, tylko tlenku litowo-kobaltowego (LiCoO₂). Jego pomysł nie był jeszcze wystarczająco dobry do budowy akumulatorów komercyjnych.

Tu koniecznie trzeba podkreślić, że do dziś w akumulatorach litowych wykorzystuje się kobalt, dlatego właśnie, także w kontekście Chin, Afryki i niewolniczej pracy dzieci, mówi się o strategicznym znaczeniu nie tyle litu, co właśnie kobaltu, powszechnie wykorzystywanego w większości dzisiejszych akumulatorów litowo-jonowych.

Następnym ważnym krokiem było zastąpienie anody wykonanej z niebezpiecznego metalicznego litu węglem, a ściślej interkalacyjnym grafitem, co pozwoliło zbudować w połowie lat 80. praktycznie użyteczne prototypy (Akira Yoshino). Pomysł został skomercjalizowany przez zespół Sony i koncern chemiczny Asahi Kasei w 1991 roku – właśnie wtedy pierwsze akumulatory litowe pojawiły się na rynku.

Były to akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion), gdzie przenoszący jony elektrolit był cieczą. Później ten ciekły elektrolit zastąpiono stałym polimerem (kompozycją polimerów). W roku 1997 Sony i Asahi Kasei wypuściły na rynek akumulatory litowe polimerowe (Li-Poly, Li-Po).

W kwestiach nazewnictwa Li-Ion i Li-Po narosło sporo nieporozumień: akumulatory polimerowe to też są akumulatory litowo-jonowe, tylko przenoszący jony litu elektrolit ma postać pasty polimerowej. Dziś spośród wszystkich znanych akumulatorów najlepsze są właśnie akumulatory litowe, w szczególności litowo-jonowe.

Mnóstwo akumulatorów litowych ma postać walców, a aktualnie najpopularniejsze są wersje o średnicy 18 mm i długości 65 mm, oznaczane 18650 – przykład na fotografii 2 (z linku: https://s.click.aliexpress.com/e/_okjTWiJ).

Akumulatory (kobaltowe) tej wielkości mogą mieć pojemność do około 3500 mAh, czyli 3,5 Ah, co przy napięciu 3,7 V daje zawartość energii około 13 watogodzin. Na rynku jest wiele tanich akumulatorów wielkości 18650 o deklarowanej (dużo) większej pojemności – przykład na rysunku 3, ale to jest jawne oszustwo, bo absolutnie nie jest to możliwe ze względów fizykochemicznych.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w lipcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 7/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 7/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu zawsze wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 7/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.