Ako fungujú lítiové batérie

Predstavte si deň bez telefónu, notebooku či slúchadiel. Alebo cestovanie bez elektrických áut, ktoré sa stávajú čoraz bežnejšou súčasťou našich ciest. Za všetkým týmto pohodlím stojí nenápadná, ale mimoriadne dôležitá technológia – lítiová batéria.

Lítiové batérie dnes nájdeme takmer vo všetkom, čo je prenosné alebo elektricky poháňané. Sú ukryté vo vreckách v podobe smartfónov, poháňajú notebooky pri práci aj hraní hier, umožňujú jazdu elektrickým automobilom a dokonca ukladajú solárnu energiu v domácnostiach či priemyselných zariadeniach. Nájdeme ich aj v inteligentných hodinkách, bezdrôtových vysávačoch, elektrických bicykloch, ale aj v kardiostimulátoroch či medicínskych zariadeniach.

Čo ich robí tak výnimočnými?

• Nízka hmotnosť a kompaktnosť – vďaka lítia, ktoré je jedným z najľahších kovov.
• Vysoká kapacita – dokážu uchovať veľa energie v malom priestore.
• Dlhá životnosť – zvládnu stovky až tisíce nabíjacích cyklov.
• Rýchle nabíjanie a nízka samovybíjateľnosť – takže sú vždy pripravené na použitie.

V porovnaní so staršími technológiami, ako sú napríklad niklovo-kadmiové (NiCd) alebo niklovo-metalhydridové (NiMH) batérie, predstavujú lítiové batérie obrovský skok vpred. Práve vďaka nim máme dnes inteligentné zariadenia s tenkým dizajnom a výkonné elektromobily s dlhým dojazdom.

Z čoho sa lítiová batéria vlastne skladá?

Aj keď vyzerá ako obyčajný malý článok, vnútri lítiovej batérie prebieha doslova chemická mágia. Aby sme pochopili, ako funguje, musíme sa pozrieť na jej základné stavebné kamene.

Lítiová batéria sa skladá zo štyroch hlavných častí, ktoré spolu vytvárajú uzavretý, ale veľmi živý energetický systém:

Anóda – zásobník energie

Zvyčajne je vyrobená z grafitu, čo je forma uhlíka. Anóda slúži ako miesto, kde sa počas nabíjania ukladajú lítiové ióny. Predstavte si ju ako špajzu, do ktorej si batéria ukladá zásoby energie.

Katóda – zdroj energie

Tvorí ju zmes kovových oxidov – najčastejšie lítium-kobaltový oxid (v niektorých prípadoch lítium-železo-fosfát alebo lítium-nikel-mangán-kobalt). Katóda je ako batériová „elektráreň“ – počas vybíjania z nej prúdia lítiové ióny smerom k anóde a tým vytvárajú elektrickú energiu.

Elektrolyt – energetická diaľnica

Medzi katódou a anódou sa nachádza elektrolyt – kvapalina alebo gél, ktorým sa môžu lítiové ióny voľne pohybovať. Je to ako diaľnica, po ktorej prúdi energia. Bez elektrolytu by sa nič nehýbalo a batéria by bola nefunkčná.

Separátor – tichý ochranca

Hoci sa o ňom veľa nehovorí, separator je nesmierne dôležitý. Ide o tenkú membránu, ktorá oddeľuje anódu od katódy, aby medzi nimi nedošlo ku skratom. Zároveň však prepúšťa lítiové ióny, takže zabezpečuje bezpečný a kontrolovaný tok energie.

Spolu tieto štyri súčasti vytvárajú uzavretý cyklus, v ktorom sa lítiové ióny pohybujú tam a späť, a tým nám poskytujú energiu – či už na prehratie obľúbenej pesničky, rozsvietenie displeja alebo rozbehnutie elektromobilu.

Ako batéria vyrába elektrinu?

Lítiové batérie fungujú na jednoduchom, no brilantnom princípe – pohybe lítiových iónov medzi dvoma elektródami. Tento pohyb vytvára elektrický prúd, ktorý napája naše zariadenia.

Pri vybíjaní (keď používate napríklad telefón)

Keď zapnete svoj mobil alebo notebook, spustí sa proces vybíjania. V tej chvíli sa lítiové ióny začnú presúvať z anódy do katódy cez elektrolyt teda kvapalinu (alebo gél), ktorá umožňuje ich pohyb. Súčasne sa elektróny, ktoré sa nemôžu pohybovať cez elektrolyt, vydajú inou cestou cez vonkajší elektrický obvod. A práve tento pohyb elektrónov tvorí elektrický prúd, ktorý napája displej, reproduktory, Wi-Fi či procesor. Vďaka nemu môžeme telefonovať, fotiť, písať správy alebo si púšťať hudbu.

Pri nabíjaní

Keď pripojíte zariadenie k nabíjačke, celý proces sa obráti. Nabíjačka dodá energiu, ktorá zabezpečí, že sa lítiové ióny opäť presunú späť z katódy do anódy. Tento pohyb si vyžaduje dodanie elektrickej energie zvonku a preto musí byť zariadenie pripojené do zásuvky alebo na powerbanku. Keď sú ióny „naspäť doma“ v anóde, batéria je opäť plne nabitá a pripravená slúžiť. Proces nabíjania a vybíjania sa môže bezpečne zopakovať aj tisíckrát.

Sú lítiové batérie bezpečné?

Vo väčšine prípadov áno, no ako každá technológia, aj lítiové batérie si vyžadujú správne zaobchádzanie. Ich slabinou je citlivosť na fyzické poškodenie, prehrievanie alebo zlé nabíjanie. V extrémnych prípadoch môže dôjsť k prehrievaniu, nafúknutiu batérie alebo dokonca k požiaru.

Preto moderné batérie obsahujú ochranné obvody a senzory, ktoré regulujú napätie, teplotu a prúd. Ak niečo nie je v poriadku, zariadenie sa automaticky vypne alebo zastaví nabíjanie, čím chráni seba aj používateľa.

Bezpečné používanie teda závisí najmä od kvality batérie a zodpovedného prístupu. Nikdy by sme napríklad nemali používať poškodenú batériu alebo lacnú neoriginálnu nabíjačku.

Budúcnosť lítiových batérií

Výskum v oblasti batérií napreduje raketovým tempom. Vedci po celom svete hľadajú spôsoby, ako zvýšiť kapacitu, bezpečnosť aj rýchlosť nabíjania. Veľký potenciál majú tzv. pevnoelektrolytové batérie, ktoré namiesto kvapalného elektrolytu využívajú pevné materiály. Vďaka tomu môžu byť ľahšie, trvácnejšie a výrazne bezpečnejšie, pričom zároveň ponúkajú vyšší výkon. Ich komerčné nasadenie sa očakáva najmä v elektromobiloch a prenosnej elektronike, kde každé percento energie navyše znamená výrazné zlepšenie.

Lítiové batérie sú dnes neoddeliteľnou súčasťou nášho každodenného života. Vďaka nim môžeme nosiť výkonný počítač vo vrecku, jazdiť na autách bez emisií a ukladať energiu zo slnka. Aj keď sú malé, skrýva sa v nich obrovská dávka vedy a technológie. Teraz už viete, čo sa odohráva vo vnútri vašej batérie vždy, keď stlačíte „zapnúť“ alebo pripojíte telefón do nabíjačky.