Jak działa akumulator litowo-jonowy?

Każdy nosi je przy sobie, a mało kto wie jak działają. Zapraszam na artykuł odkrywający tajemnicę tych niezwykłych akumulatorów.

Dawno, dawno temu…

Zacznijmy może od ciekawostki. Czy wiesz, że pierwszy akumulator powstał przeszło 160 lat temu? Był to model ołowiowo-kwasowy, zbudowany w 1859 roku przez niejakiego Gastona Planté. I choć świat od tamtej pory poszedł mocno do przodu, to poczciwym ,,kwasówkom” udało się jakoś przetrwać do dziś. Wszystko dzięki ich zdolności do błyskawicznego dostarczenia ogromnej mocy, jakiej wymagają chociażby rozruszniki samochodów spalinowych. Nie bez znaczenia jest też ich niska cena – akumulatory kwasowo-ołowiowe do dziś nie mają pod tym względem konkurencji.

Ponad pół wieku później, w 1908 roku Thomas Alva Edison zaprezentował światu akumulator niklowo-żelazowy (Ni-Fe). Skonstruował go z myślą o elektrycznych samochodach (tak, ta technologia również jest niezwykle stara). Niestety koszt produkcji ogniw Ni-Fe okazał się na tyle duży, iż nie znalazły one powszechnego zastosowania. Niszą, do której pasowały idealnie, okazały się segmenty urządzeń przeznaczonych do pracy pod ziemią oraz elektrycznych pociągów (dla których ,,kwasówki” były niewystarczające). Co ciekawe z akumulatorów Ni-Fe do dziś korzystają lokomotywy serwisowe londyńskiego metra (uruchamiane w razie braku prądu w mieście).

Niedługo potem, po 10 latach wytężonych prac Waldemara Jungnera, w 1909 roku pojawiły się pierwsze akumulatory niklowo-kadmowe (Ni-Cd). Ich kariera bardzo szybko nabrała rozpędu, głównie za sprawą w miarę przystępnej ceny i obu Wojen Światowych. Stąd, w pierwszej połowie XX wieku, akumulatory Ni-Cd były podstawowym źródłem energii sprzętu wojskowego: od lotnictwa (rozruch silników), przez technologię komunikacyjną, na zasilaniu słynnych pocisków rakietowych V-2 kończąc.

Po II Wojnie Światowej nastała era tranzystorów i miniaturyzacji, a wraz z nią potrzeba tworzenia coraz to lżejszych i mniejszych akumulatorów. Wtedy też w latach 60-tych Volkswagen opracował ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMh). Akumulatory te po pewnym czasie (i kilku usprawnieniach) były w stanie przechować ponad 2 razy więcej energii niż ich starsi, kadmowi bracia o tych samych gabarytach. Do tego NiMh’y były jeszcze tańsze w produkcji, przez co w latach 80-tych praktycznie przejęły rynek akumulatorów. I choć na horyzoncie majaczyła już bardzo obiecująca technologia litowa, to ogniwa NiMh bardzo długo pozostały podstawowym źródłem energii tanich elektronarzędzi, aparatów fotograficznych, zdalnie sterowanych zabawek, a nawet samochodów elektrycznych (Toyota Prius, Honda Civic Hybrid, czy Forde Espace Hybrid). Niestety ani niska cena, ani niezłe parametry, nie mogły dawać szans w starciu ze zbliżającym się wielkimi krokami litem. Ten niepozorny pierwiastek już wkrótce miał zadecydować o tym jak będzie wyglądał nadchodzący XXI wiek.

W 2019 roku John Goodenough, Stanley Whittingham i Akira Yoshino zostali uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie i rozwój akumulatorów litowo-jonowych. To właśnie ta trójka zauważyła potencjał drzemiący w licie jeszcze w latach 70-tych i rozpoczęła nad nim badania. Pierwszy akumulator działający w oparciu o lit opracowała firma Exxon już w 1978 roku. Choć trzeba nadmienić, że określenie ,,działający” użyte jest tutaj nieco na wyrost. Tak naprawdę potrzeba było kolejnych kilkunastu lat wytężonej pracy, by wreszcie w 1991 roku firma Sony wypuściła w pełni bezpieczne, sprawne, niezwykle wydajne i dostępne dla każdego Kowalskiego akumulatory litowo-jonowe. Ich rewolucyjne wręcz parametry nie pozostawiały złudzeń: ,,litówki” rozpoczęły właśnie ekspansję, której nie da się już powstrzymać. Dziś, po około 30 latach od ich narodzin, trudno byłoby znaleźć osobę, która nie ma choć jednego takiego akumulatora przy sobie (w telefonie, czy zegarku) i co najmniej kilku w domu. Co takiego sprawiło, że lit wyparł wszystkie inne konstrukcje? Dlaczego wybór padł właśnie na ten pierwiastek i co jest w nim takiego niezwykłego? Zapraszam do dalszej części artykułu!

Sztuka pozyskiwania energii

Pierwiastek lit odkryty został już w 1817r.. To oznacza, że musiało minąć niemal 150 lat, nim w ogóle zaczęto brać go pod uwagę w roli składnika akumulatorów. Dlaczego trwało to tak długo? Z bardzo prostego powodu – lit to dość problematyczny i trudny do okiełznania pierwiastek. Aby dokładnie zrozumieć jego wady i zalety musimy zacząć od absolutnych podstaw.

Zasadniczo wszystkie akumulatory (jak i zwykłe baterie) to pojemniki wypakowane związkami chemicznymi – związkami, które reagując ze sobą potrafią produkować prąd. I to właśnie ten prąd jest tutaj kluczem, bowiem to on niesie ze sobą życiodajną energię elektryczną, bez której żadne urządzenie elektryczne nie może działać.

Ale w jaki sposób prąd elektryczny transportuje energię do naszego smartfona? To proste. Prąd to nic innego jak strumień pędzących przed siebie elektronów. No może z tym ,,pędzących” nieco przesadzam, bo elektrony są tak naprawdę potwornie powolne. Czasami jednak nie liczy się prędkość, a ilość i pod tym względem, w trakcie każdej sekundy, przez nasze smartfony przesączają się tryliony tych ,,małych kuleczek”.

Każdy kto zgłębiał fizykę kwantową wie, że myślenie o elektronach jak o ,,małych kuleczkach” to zabawa dobra dla przedszkolaków. Ale czy to źle? Elektrony są tak małe, że nawet z pomocą najlepszych mikroskopów i tak nie jesteśmy w stanie ich dostrzec. Kto wie, może tak naprawdę mają one kształt kwadratów, trójkątów, albo żelkowych misiów Haribo? Zresztą kształt w kwestii transportu energii nie ma najmniejszego znaczenia. Tak naprawdę chodzi o sam ruch cząsteczek i idące za nim konsekwencje.

Biorąc do ręki kamień i rzucając go przed siebie nadajesz mu pewną prędkość. A jeśli weźmiemy pod uwagę również masę kamienia, to wówczas możemy mówić o czymś, co fizycy nazywają pędem. Im większa prędkość kamienia i im większa jego masa, tym większy jest jego pęd. Nie muszę chyba tłumaczyć jak spotkanie takiego pędzącego kamienia i dajmy na to okna twojego sąsiada może się zakończyć? Fizycy taką zdolność rozpędzonych przedmiotów do czynienia destrukcji nazywają przekazywaniem energii. Miło, prawda?

Mechanicznie wygląda to tak: rzucając kamieniem zużywasz energię swoich mięśni. Im więcej jej zużyjesz, tym oczywiście bardziej się zmęczysz, ale też kamień nabierze większej prędkości i będzie miał więcej energii do zrobienia tego, po co go wysłałeś – prosta kalkulacja. A teraz najciekawsze – kiedy kamień trafia w swój ostateczny cel, czyli w naszym przykładzie okno sąsiada, to następuje kolejna wymiana energii. Kamień w wyniku uderzenia musi wyhamować, a więc traci energię. To ile jej utraci zależy od tego jak mocno wyhamuje. I tutaj do gry wkracza okno, które cały ten impet musi przyjąć na siebie. Jeśli energii nie było dużo (kamień był lekki i leciał wolno), to szyba zadrży złowieszczo (ale jakoś to wytrzyma), a kamień się odbije. Natomiast jeżeli tej energii będzie za dużo (ciężki kamień, diabelnie szybki), szyba odkształci się tak mocno, że zwyczajnie pęknie, a kamień, lekko tylko spowolniony, poleci sobie dalej.

Przykład może i drastyczny, ale doskonale obrazuje to, co dzieje się z elektronami. Jeżeli tylko uda nam się je rozpędzić i skierować do naszego smartfona, wówczas zaczną one trzeć i rozbijać się o zamkniętą w nim elektronikę, przekazując mu w ten sposób energię. Jeżeli wpuścimy tej energii zbyt dużo, to ta delikatna elektronika rozleci się na kawałki tak samo jak szyba. Na szczęście o odpowiednie dawki energii martwi się już sam telefon, więc nie będziemy się tym faktem teraz zajmować.

Wiesz już, że prąd, a więc strumień rozpędzonych elektronów może nieść ze sobą energię. Nie przez przypadek elektryczność oparta jest na elektronach – to właśnie te cząstki, a nie na przykład protony, czy neutrony jest najłatwiej zmusić do ruchu. Ale jak? To również jest bardzo proste. Wystarczy zebrać ich ogromną ilość w jednym miejscu i je tam zamknąć. I to tyle? Owszem, bo nie wiem czy wiesz, ale z elektronami jest podobnie jak z ludźmi. Zamknij większa grupę w małym pomieszczeniu, a bardzo szybko zauważysz jak zaczną się wiercić, rozpychać i walić w drzwi, byś ich wypuścił. Elektrony również nie lubią swojego towarzystwa i najchętniej trzymają się z dala od siebie.

Nie ma to oczywiście nic wspólnego z uczuciami. Po prostu elektrony obdarzone są tak zwanym ,,ładunkiem ujemnym”, a fizyka mówi nam, że cząstki o tym samym ładunku zawsze będą się wzajemnie odpychać. Więcej szczegółów na ten temat możesz w wolnej chwili przeczytać tutaj:

Czym jest ładunek elektryczny? – artykuł na Teoriaelektryki.pl

Elektrony chcą uciec od siebie, ale zamknięte w takim akumulatorze, czy baterii nie za bardzo mają dokąd. Rozwiązanie pojawia się, gdy akumulator taki włożymy do telefonu. Obwody naszego smartfona stają się wówczas jedyną drogą ucieczki, choć oczywiście istnieje pewien haczyk. Droga ta jest bowiem prawdziwym torem przeszkód usianym kondensatorami, rezystorami, tranzystorami i innymi ,,-torami”. Na szczęście dla nas te biedne, bogu ducha winne elektrony wolą trochę się przemęczyć i poobijać, niż spędzić ze sobą choćby kolejną sekundę w zamknięciu. Tym oto sposobem nasz telefon zdobywa energię, a elektrony płyną sobie przed siebie do… No właśnie, gdzie? By osiągnąć wieczny spokój? Niestety podstawową funkcją akumulatorów jest możliwość ich ponownego naładowania i wykorzystania. Z tego też powodu nie możemy ot tak wypuścić na wolność opuszczających nasz telefon elektronów. Zamiast tego musimy je zmagazynować, na przykład po drugiej stronie akumulatora, gdzie będą grzecznie czekały na transport z powrotem, by cały horror… to znaczy proces rozpoczął się od początku.

Łatwiej powiedzieć, niż zrobić

Z opisu wszystko wydaje się proste – elektrony płyną obwodami naszego telefonu w jedną stronę, a potem ładując akumulator przenosimy je z powrotem i cykl możemy zacząć od nowa. Niestety rzeczywiste wykonanie takiego mechanizmu to zupełnie inna bajka. Dlaczego? Wcześniej wspomniałem choćby o tym, że elektrony są tak małe, iż nawet nie wiemy jak wyglądają. Tym bardziej trudno byłoby nam złapać je w siatkę i ot tak zamknąć po jednej stronie akumulatora. Potem musielibyśmy jeszcze liczyć na to, że spokojnie popłyną na jego drugą stronę i tam ponownie dadzą się zamknąć. Nierealne. Jak to się w takim razie robi? Na czym polega sztuczka? Zacznijmy może od przypomnienia czegoś, co napisałem kilka akapitów wcześniej:

Baterie i akumulatory wypełnione są związkami chemicznymi, które reagując ze sobą potrafią produkować prąd.

Zamiast głowić się nad tym skąd wziąć pojedyncze elektrony, możemy wykorzystać fakt, że ich najlepszym źródłem są atomy – w końcu elektrony latają wokół ich jąder całymi chmarami. Ponadto same atomy bardzo często zbijają się w większe skupiska zwane molekułami, albo tworzą szereg jeszcze większych związków chemicznych. Te jesteśmy w stanie nie tylko bez trudu dostrzec, ale i zamknąć gdzie chcemy i w jakiej ilości chcemy. Oczywiście na koniec pozostaje jeszcze kwestia przekonania atomów do tego, by oddały nam swoje elektrony, a to nie zawsze jest takie łatwe…

Na szczęście wybór jeśli chodzi o dawców mamy spory, bowiem przebierać możemy wśród 118 różnych pierwiastków. Warto wiedzieć, że każdy z nich ma swój indywidualny numer zwany liczbą atomową, która to wprost określa ile elektronów wiruje wokół jądra danego pierwiastka. Wszystko to niezwykle przejrzyście widać na tablicy Mendelejewa.

Wybór nie jest rzecz jasna zupełnie dowolny – niektóre z pierwiastków są bardziej podatne na współpracę, inne mniej. Są też takie, których nie ma nawet sensu przekonywać – tych maruderów zaznaczyłem na biało. Dlaczego nie ma to sensu? Większość z nich to po prostu pierwiastki radioaktywne, a takich atrakcji w domowych akumulatorach raczej nie chcemy. Z kolei biała kolumna widoczna po prawej stronie tablicy (poczynając od helu) to tak zwane gazy szlachetne. Nazwano je tak dlatego, że są zbyt szlachetne, by oddać swoje elektrony na poczet zasilania jakiejś prostackiej elektroniki. Tak przynajmniej słyszałem…

Wykluczając te ,,białe plamy” pozostaje nam 76 pierwiastków, które w naturze mieszają się i łączą co potencjalnie daje tysiące przeróżnych związków chemicznych. Związków, które mogą dać nam to, czego potrzebujemy. A czego potrzebujemy? Tak jak mówiłem – po jednej stronie akumulatora muszą znaleźć się związki chemiczne, które reagując ze sobą chętnie oddadzą elektrony, a po drugiej takie, które te elektrony przyciągną do siebie i przechowają do czasu ponownego naładowania.

W 1800 roku niejaki Alessandro Volta odkrył pierwszą taką parę reakcji. Okazało się, że jeśli rozpuścimy cynk (Zn) w odpowiednim roztworze, to bez problemu odda nam on 2 elektrony. Z drugiej strony miedź (Cu) nie za bardzo lubi takie rozpuszczanie i z nieukrywaną radością zapewni schronienie dwóm elektronom, dzięki którym będzie w stanie się z takiego roztworu wydostać (fachowo mówimy wytrącić). I o ile taka uczciwa, jednostronna wymiana elektronów między cynkiem i miedzią stała się podstawą pierwszej w historii baterii, to niestety proces ten jest nieodwracalny. Oznacza to, że w trakcie tejże wymiany, w strukturze związków zachodzą pewne trwałe zmiany i nie możemy takiej baterii ot tak podłączyć do ładowarki i przetransportować elektronów z powrotem. Tak przynajmniej było 200 lat temu, bowiem dzisiejsza znajomość chemii i technologii pozwala stworzyć baterie oparte na cynku i miedzi, które można powtórnie naładować. To już jednak zupełnie inna historia.

Pierwszą w pełni odwracalną parą reakcji była ta odkryta przez wspomnianego Gastona Planté, ochrzczona mianem akumulatora kwasowo-ołowiowego. Ołów zamknięty z jednej strony akumulatora reaguje z roztworem kwasu siarkowego, oddając po drodze 2 elektrony. Po drugiej stronie zamknięty jest tlenek ołowiu. Ołów bardzo chce oderwać się od tlenu, a do tego potrzebuje… zgadłeś, dokładnie dwóch zbłąkanych elektronów. Jak wspomniałem obie reakcje są w pełni odwracalne. To znaczy, że możemy podłączyć taki akumulator do ładowarki i ona, za pomocą energii pobieranej z gniazdka, siłą wyrwie przesłane elektrony z drugiego końca (ołów na powrót połączy się z tlenem) i przetransportuje je z powrotem na początek, wpychając je do atomu ołowiu (który wcześniej je porzucił).

Zauważ, że w przypadku historii cynku i miedzi oraz ołowiu i jego tlenku piszę jedynie o dwóch przekazywanych elektronach. Ale dlaczego tylko dwóch? Miedź (Cu) i cynk (Zn) mają kolejno 29 i 30 elektronów, a ołów ma ich aż 82! Odbieranie mu tylko dwóch elektronów, skoro ma ich aż tyle wydaje się marnotrawstwem potencjału. W końcu im więcej elektronów zabierzemy, tym więcej energii mamy do wykorzystania, prawda? Jasne, ale wyciągnięcie elektronu z orbity też kosztuje. Pamiętasz o sile i energii naszych mięśni zdolnej rzucić kamieniem? Elektron również nie pomknie przed siebie ot tak, bo potrzebuje do tego energii. Energii, której źródłem są reakcje chemiczne. Prawdziwy problem tego mechanizmu odkryjemy, kiedy spojrzymy w tabelę energii potrzebnej do jonizacji pierwiastków (jonizacji, czyli właśnie odebrania bądź dołożenia im elektronów). Pokaże nam ona, że wyrwanie pierwiastkowi każdego kolejnego elektronu wymaga średnio dwa razy więcej energii niż poprzedniego. W rezultacie jesteśmy w stanie zmusić większość atomów do oddania jednego elektronu – łatwizna. Odebranie drugiego wymaga już dwa razy więcej energii, ale zwykle nie jest to aż tak duża wartość – da się zrobić. Trzeci elektron to już 4 razy więcej energii niż na początku. Niewiele znanych nam reakcji, które możemy bezpiecznie zamknąć w akumulatorze to potrafi. Cztery i więcej elektronów to już temat poza naszym zasięgiem. No chyba, że zamontujemy w akumulatorze mikroskopijne działo laserowe zdolne wybijać z atomów dowolną ilość elektronów… Tak, w takim wypadku nie byłoby problemu.

Wspomniane elektronowe ograniczenie całkowicie zmienia zasady gry. W tym momencie nie zależy nam na zastosowaniu pierwiastków o dużej ilości elektronów, bo i tak wyciągniemy z nich dwie, góra trzy sztuki. Jest to o tyle istotne, że im więcej elektronów ma pierwiastek, tym automatycznie więcej protonów i neutronów znajduje się w jego jądrze i przez to cały atom staje się cięższy. Czy jest w takim razie sens pakować do akumulatora duże i ciężkie atomy ołowiu (82 elektrony), skoro równie dobrze 2 elektrony możemy wyciągnąć ze znacznie lżejszych pierwiastków? Między innymi ten właśnie czynnik sprawia, że akumulatory oparte o nikiel (Ni-Fe, Ni-Cd, NiMh) są w stanie wygenerować od 2 do 4 razy więcej energii z każdego kilograma akumulatora, niż ich ołowiowi kuzyni wagi ciężkiej. I choć nikiel nie jest specjalnie mniejszy od atomu ołowiu, to związki chemiczne jakie wykorzystuje w swoich reakcjach można z łatwością sprasować, zwinąć w rulonik i zamknąć w małej, cylindrycznej obudowie. Akumulatory kwasowe i zachodzące w nich reakcje wymagają znacznie więcej przestrzeni.

Skoro ołów jest tak nieporęczny, to dlaczego oparte o niego akumulatory wciąż zasilają rozruszniki w naszych autach? Z racji tego, że w samochodach mamy sporo miejsca, a przy dwóch tonach stali na kółkach akumulator ważący kilka kilogramów nie robi różnicy, to na korzyść kwasówek przeważają trzy rzeczy:

• Po pierwsze do dziś pozostają one najtańszym rodzajem akumulatorów. Ołów nie jest może tak powszechny w skorupie ziemskiej jak nikiel, ale za to jego pozyskanie jest dość tanie, tak jak zresztą potrzebnego do reakcji kwasu siarkowego. Oprócz tego cały akumulator jest na tyle prosty w budowie, że teoretycznie sam mógłbyś zrobić sobie taki w domu.
• Druga sprawa to całkiem niezłe napięcie generowane przez taki akumulator. Bo widzisz w chemii baterii, oprócz ilości oddanych elektronów, istotne jest to jak bardzo dany związek chce się ich pozbyć, lub je przyjąć. Im bardziej, tym z większą prędkością elektrony są wyrzucane z jednej i zasysane z drugiej strony ogniwa. Większa prędkość to, tak jak w przypadku kamienia, więcej energii, którą elektrony zostawią, obijając się o elektronikę naszych urządzeń. Zamknięta w akumulatorach kwasowo-ołowiowych chemia generuje napięcie rzędu 2 V, co nie jest takim złym wynikiem w porównaniu do 1,2 V w Ni-Cd i NiMh. Oczywiście akumulatory w naszych samochodach mają aż 12 V, ale to wynika jedynie z połączenia w jego wnętrzu 6 mniejszych akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
• Trzecia i ostatnia sprawa to moc. Każda reakcja chemiczna zachodzi z określoną prędkością, a ta związana z ołowiem i kwasem siarkowym zachodzi niezwykle szybko. W połączeniu z dość wysokim napięciem ogniwa, pozwala to wytworzyć w ułamku sekundy ogromną moc potrzebną do wystartowania rozruszników samochodowych (prąd płynący z akumulatora osiąga wartość rzędu kilkuset amperów).

Komponenty Ni-Cd oraz NiMh nie potrafią przewodzić tak ogromnego prądu, a ich zwarta konstrukcja sprawia, że są one znacznie bardziej wrażliwe na rosnącą przy okazji takiego prądu temperaturę. Ich przewagą nad ołowiem jest z kolei znacznie większa ilość zmagazynowanej energii, która, jeśli tylko nie potrzebujemy jej szybko wyciągnąć, może nam posłużyć znacznie, ale to znacznie dłużej.

Najlżejszy metal świata

Telefony komórkowe i inna przenośna elektronika to zupełnie inny temat niż rozrusznik samochodu. W tym wypadku niewielki rozmiar i waga to klucz do sukcesu. Chcemy aby nasz telefon miał duży ekran i był szybki, a do tego zamknięty był w małej i cieniutkiej obudowie. Badacze doskonale rozumieli kierunek w jakim idzie przemysł urządzeń przenośnych, dlatego też za cel obrali sobie stworzenie najlżejszych na świecie i najpojemniejszych akumulatorów w historii. Aby to zrobić, musieli spróbować okiełznać jeden z najlżejszych dostępnych nam pierwiastków…

W tym momencie na scenę (cały na biało) wkracza lit (Li). Na tablicy Mendelejewa oznaczony jest dumnym numerem 3, a to sprawia, że jest on jednym z najlżejszych znanych nam pierwiastków – pod tym względem przegrywa jedynie z wodorem i helem. W licie ciekawe jest również to, że będąc pierwiastkiem lżejszym od takiego tlenu czy azotu, w przeciwieństwie do nich jest ciałem stałym. Dzięki temu jego atomy są ciasno upakowane, a taki zwarty materiał znacznie łatwiej jest obrobić i zamknąć w niewielkim akumulatorze. Jasne, gazy można przecież potraktować wysokim ciśnieniem i skompresować, ale skoro mamy super-lekki lit, to po co kombinować?

Lit (nie jako atom, a jako kawałek materii) waży mniej więcej tyle co drewno sosnowe. Jego gęstość to jakieś 0,51 g/cm³, a to oznacza, że jest on niemal dwukrotnie lżejszy od wody, jakieś 16 razy lżejszy od niklu i 20 razy lżejszy od ołowiu. Idealny przepis na super-lekkie baterie! Z drugiej jednak strony waga piórkowa kompletnie nie przekłada się na rozmiar atomu. Choć lit ma tylko po trzy protony, neutrony i elektrony, to w rzeczywistości ponad połowa tablicy Mendelejewa jest od niego mniejsza! W tym ołów, który przypomnę ma aż po 82 sztuki protonów, neutronów i elektronów.

To, że atom zbudowany z 20 razy większej liczby cząsteczek, będący 20 razy cięższy może być jednocześnie mniejszy, to dość skomplikowana do wyjaśnienia kwestia. Orbity wokół atomów potrafią być naprawdę pokręcone, jądro atomowe przyciąga elektrony z różną siłą, a te oddziałują również ze sobą nawzajem. Ostateczny wynik jest taki, że choć lit jest najlżejszy i oparte o niego akumulatory również takie będą, to rozmiar jego atomów wcale nie sprawia, że możemy zamknąć tego litu w małej baterii nie wiadomo ile. Patrząc z perspektywy atomowej to zajmuje on praktycznie tyle samo miejsca co ołów. A może akumulatory litowe nie są wcale tak fantastyczne jak wszyscy nam mówią?

Bez obaw – są świetne. Cała tajemnica baterii litowo-jonowych tkwi tak naprawdę w określeniu „jonowy”. Jonizowanie to, jak już wspomniałem, ładne określenie na odbieranie bądź dokładanie atomom elektronów. Kiedy pierwiastek odda elektron lub jakiś przyjmie, wówczas nazywamy go jonem. Lit w standardzie ma 3 elektrony. Dwa z nich znajdują się na tyle blisko jądra atomowego i są przez nie tak mocno przyciągane, że możemy o nich zapomnieć. Za to do opisania trzeciego elektronu najlepiej pasuje określenie ,,kula u nogi”. Wiem, brzmi zabawnie, ale w tym wypadku nie przesadzam. Lit chce się tego trzeciego elektronu pozbyć tak bardzo, że wchodzi w reakcję z niemal wszystkim co spotka na swojej drodze – nawet z wodą, czy powietrzem! Myślisz pewnie: „Co z tego, to tylko jeden elektron. Słabo!”. Nie daj się jednak zmylić pozorom – lit tak bardzo chce zostać jonem, że w trakcie oddawania tego jednego elektronu generuje napięcie rzędu 3,2 – 3,8 V! To sprawia, że każdy jeden uwolniony przez lit elektron niesie ze sobą 3 razy więcej energii niż ten z akumulatorów niklowych i dwa razy więcej niż ten z kwasówek. No tak, ale ołów daje przecież dwa elektrony, więc gdzie ta przewaga litu? Już tłumaczę.

Każdy akumulator do oddania i przyjmowania elektronów wykorzystuje reakcje chemiczne – są one jedynym możliwym źródłem potrzebnej do tego energii. Naukowcy, którzy otrzymali Nobla za opracowanie litowych akumulatorów tak naprawdę dostali go za to, że… poniekąd oszukali lit. Wiedzieli oni, że zmuszenie tego pierwiastka do oddania elektronu to nie sztuka – jednorazowe baterie litowe istniały od lat. Problemem było znalezienie takiej reakcji, poprzez którą po drugiej stronie akumulatora lit chętnie przyjmie odrzucony elektron z powrotem. Oczywiście kilka takich reakcji udało się znaleźć, ale wszystkie one miały swoje ograniczenia i istotne wady, całkowicie niweczące potencjał litu. Wtedy nagle, w latach 70tych ktoś wpadł na pomysł, że żadna reakcja nie musi tak naprawdę zachodzić, dopóki lit nie będzie o tym wiedział.

Oszustwo godne Nobla

Atom litu z trzema elektronami na pokładzie jest dość duży. Kiedy jednak odda swój elektron i stanie się jonem, wówczas jego średnica zmniejsza się praktycznie dwukrotnie. Jest on wówczas o ponad 20% mniejszy od ołowiu, który już oddał dwa elektrony! Przyznasz, że to dość spora różnica. Do tego naukowcy odkryli strukturę zwaną tlenkiem kobaltu. Okazało się, że jon litu ma akurat taką wielkość, że idealnie wpasowuje się w wąskie szczeliny między warstwami tego związku. Dodatkowo kobalt nie jest zbyt wybrednym pierwiastkiem i potrafi zaopiekować się dodatkowym elektronem, jaki przy okazji oddaje mu lit. Ostatecznie taki tlenek kobaltu z powtykanym tu i ówdzie litem nazywamy tlenkiem kobaltu litu (LiCoO₂) i jest to podstawowy związek wykorzystywany w akumulatorach litowo-jonowych. A i przy okazji mogę dodać, że taki proces wciskania atomów w strukturę jakiegoś związku nazywa się interkalacją.

Lit czuje się w takim układzie częścią związku, choć nie tworzy z nim pełnoprawnego wiązania. Kobaltowi jest właściwie wszystko jedno, więc możemy uznać, że wszyscy są zadowoleni. Tam jednak gdzie wszyscy są szczęśliwi nie ma żadnej energii elektrycznej do wykorzystania. My musimy sprawić, by litowi było niewygodnie, by chciał zmienić stan, w jakim się znalazł. W tym celu podłączamy taki tlenek kobaltu litu do ładowarki i zaczynamy wysysać elektrony. 

Akcja ta na kobalcie nie robi żadnego wrażenia – jest on metalem podobnym do miedzi i żelaza, czyli przewodnikiem, który nie do końca dba o to, czy zwiniemy mu jakiś elektron. A już z pewnością nie będzie mu szkoda tego, który przed chwilą otrzymał od litu. Niestety sytuacja ta stawia jon litu w bardzo trudnym położeniu. Wcześniej oddał on ujemnie naładowany elektron, przez co sam stał się nieco dodatnio naładowany. Teraz elektron ten wypompowaliśmy na zewnątrz, przez co cała struktura tlenku kobaltu stała się delikatnie dodatnia. Fizyka jest w tej kwestii nieubłagana – dodatni tlenek kobaltu zacznie odpychać dodatni jon litu. Pamiętasz jak wspominałem o tym na początku artykułu? Takie same ładunki, czy to dodatnie, czy ujemne będą się zawsze odpychać.

Tlen i kobalt trzymają się siebie mocno – to dość zwarta struktura pełniąca rolę swego rodzaju rusztowania. Jony litu, które powciskały się gdzie mogły, ale do niczego się tak naprawdę porządnie nie przyczepiły, zostają wypchnięte ze struktury.

Lit nie ma się dokąd udać – z elektronem było mu źle, ale bez niego i na dodatek bez innych atomów, do których może się przykleić jest jeszcze gorzej. Nie wiedząc co zrobić odwraca się i oto widzi światełko w tunelu. Tam, po drugiej stronie akumulatora roztacza się niebieskawy blask i przyciąga go jakaś tajemnicza siła. Jak gdyby tam było jego miejsce…

Lit przemierza wnętrze akumulatora, przeciskając się przez nasączony elektrolitem separator, który dzieli akumulator na dwie części. Za nim widzi kolejny układ warstw, tym razem upiornie czarny. Nim zdąży wyhamować, ciągnięty tajemniczą siła wpada między warstwy ciemnej, grafitowej struktury i grzęźnie tam, nie mając siły się wyrwać. Spogląda w głąb i widzi, że w tej samej strukturze uwięzione są znajome elektrony…

Tak, to dokładnie te same elektrony, które on i inne jony litu przed chwilą oddały kobaltowi. Lit orientuje się, że tajemnicza, przyciągająca siła i niebieskawy blask pochodziły właśnie od nich – morza ujemnie naładowanych elektronów, do których dodatnio naładowany jon litu czuje naturalny pociąg. Uwięziony lit nie jest jednak z tego faktu zadowolony. Nie chce na powrót łączyć się z elektronami. Niestety z jednej strony cała ich chmara wciąga go w głąb grafitowej struktury, z drugiej zaś wciąż odczuwa odpychające echo kobaltu. W ten oto sposób lit wpada w pułapkę. W wymyślone przez genialnych konstruktorów oszustwo, pozwalające utrzymać go w niewygodnym położeniu. Lit grzęźnie wewnątrz tego grafitowego labiryntu i to bez pomocy jakiejkolwiek reakcji chemicznej. Oczywiście nie spędzi on tam wieczności. Musi jedynie wytrzymać do momentu, w którym do akumulatora podłączymy jakiś odbiornik.

Wpinając akumulator do np. telefonu, elektrony zyskują drogę ucieczki – grafit nie jest dla nich tak gościnny jak kobalt, stąd czują się w jego strukturze jak sardynki zamknięte w puszce. Słysząc ciche, niosące się przewodami nawoływanie kobaltu, elektrony postanawiają wykorzystać okazję. Te lekkie i zwinne cząstki bez problemu uciekają z grafitowej pułapki. Po drodze zostawiają w telefonie standardową „opłatę” energetyczną i ponownie powracają do struktury tlenku kobaltu, któremu jak wiemy i tak jest wszystko jedno…

Obojętny za to nie jest na pewno lit. Dzięki temu, że elektrony powoli znikają, maleje też siła trzymająca go między warstwami grafitu. Z drugiej strony kobalt karmiony elektronami również zapomina o wystosowanym wcześniej akcie nienawiści (to znaczy przestaje on być naładowany dodatnio i odpychać lit). Lepszej okazji nie będzie – jony litu opuszczają grafit i przedzierają się z powrotem przez separator, docierając wreszcie do przytulnych warstw kobaltu, wyłożonych mięciutką połacią tlenu. W ten oto sposób zakończył się cykl ładowania i rozładowania akumulatora, w trakcie którego jony litu przemierzyły jego wnętrze raz w jedną, raz w drugą stronę. Mechanizm ten nie bez powodu określa się mianem ,,bujanego fotela” (ang. rocking chair). Geniusz i prostota jakie stoją za tym pomysłem przyczyniły się do największej obok Internetu rewolucji XXI wieku – powstania akumulatora litowo-jonowego.

Cena geniuszu

Ogniwa litowo-jonowe to najwydajniejsze i najpotężniejsze akumulatory jakie do tej pory pojawiły się na rynku. Niestety jakość, jak to zwykle bywa, niesie ze sobą wysoką cenę. Skąd się ona bierze? Zacznijmy może od tego, że chęć litu do reagowania wszędzie i ze wszystkim sprawia, że jest on dość problematyczny w przechowywaniu i obróbce. Z tego samego powodu nie znajdziemy na naszej planecie litu w czystej postaci. Najczęściej odzyskuje się go ze związków chemicznych, takich jak chlorek litu (LiCl), wodorotlenek litu (LiOH) i węglan litu (Li₂CO₃). Nie jest to proces ani łatwy, ani wydajny. Do uzyskania kilograma czystego litu potrzeba aż 5,3 kg węglanu litu. Największe złoża tego surowca znajdują się w Boliwii (około 32% światowych zasobów), a do największych producentów czystego litu należą Chile, Chiny i Argentyna, produkując około kilogram litu w ciągu każdej sekundy jaką spędzasz na czytaniu tego artykułu.

Do tego wyprodukowanie akumulatora z pierwiastka, który ma tak ogromną energię i tylko czyha na okazję, by z czymś przereagować wymaga zastosowania całej masy zabezpieczeń. Akumulatory Li-Ion nie lubią przegrzewania, przeładowania i nadmiernego rozładowania. Stąd naszpikowane są elektroniką trzymającą w ryzach parametry akumulatora. To jednak nie zawsze zdaje egzamin, bo wystarczy najmniejsze zanieczyszczenie litu lub błąd w trakcie produkcji, by wszystko zakończyło się efektownym pożarem. Słyszałeś może o aferze z wybuchającymi bateriami w Samsungach Galaxy Note 7? Swego czasu zabronione było wnoszenie tego smartfona na pokład samolotu, a firma Samsung rozsyłała klientom specjalnie zabezpieczone opakowania przeznaczone do zwrotu tego niebezpiecznego telefonu.

Myślę jednak, że nie będziemy teraz wnikać w co bardziej szczegółowe aspekty techniczne akumulatorów Li-Ion. Te wolałbym poruszyć w osobnym, przeznaczonym do tego artykule. Mam nadzieję, że dzisiejsza podróż uświadomiła Ci jak te akumulatory działają i jakim wyzwaniem były dla uczonych pod koniec XX wieku. Następnym razem porozmawiamy o podtypach baterii Li-Ion, ich zastosowaniu, a także ogólnych wadach i zaletach. Czym różni się akumulator w smartfonie od tego w samochodzie elektrycznym? Czym tak naprawdę są następcy Li-Ionów, czyli baterie litowo-polimerowe? Czy baterie z wody morskiej mają szansę za chwilę zdetronizować ,,litówki”? Jeśli nie chcesz przegapić żadnego nadchodzącego artykułu, to zapisz się poniżej na newsletter lub polub moją moją stronę na facebooku. Do usłyszenia!

Dzięki za poświęcony czas!

---

Bibliografia