Liitiumpatareid on meie elu lahutamatu osa olnud aastakümneid ja neid on vaja erinevate elektroonikaseadmete jaoks. Kuid miks on liitiumpatareid nii populaarseks saanud ja kas on paremaid alternatiive? Mis võiks ühel päeval liitiumpatareisid üldse asendada?
Mis on liitiumpatareid?
Liitiumipõhised akud (liitiumioonakud) on tänapäeval kõige levinum akutüüp. Liitiumipõhiste akude idee pakkus esmakordselt välja 1976. aastal Briti keemik Michael Stanley Whittingham. Liitiumpatareid said esmakordselt laialdaselt kaubanduslikult kättesaadavaks mõni aasta hiljem, 1991. aastal, kui need hakati masstootma.
Liitiumpatarei võib olla mitmel kujul, kõige tähelepanuväärsemad variandid, sealhulgas liitium raudfosfaat, liitiumkoobaltoksiid, liitiummangaanoksiid ja liitiumnikkel-mangaankoobalt oksiid. Need akud sisaldavad väikeseid toiteelemente, millest igaüks koosneb positiivsest elektroodist (katoodist), negatiivsest elektroodist (anood) ja elektrolüüdist.
Lahtri sees liiguvad liitiumioonid positiivse ja negatiivse elektroodi vahel, kusjuures elektrolüüt toimib liikumisvektorina. Liitiumioonidel (Li+) on positiivne laeng ja seetõttu tõmbab neid negatiivne elektrood. Kaks elektroodi koosnevad ka põhikomponentidest. Tüüpilise liitiumkoobaltoksiidi aku puhul on katood valmistatud liitiumkoobaltoksiidist, anood aga tavaliselt süsinikupõhisest ühendist, mida tuntakse grafiidina.
Katood eraldab osa oma positiivsetest liitiumioonidest, mis seejärel liiguvad läbi elektrolüüdi anoodile, vabastades energiat, mida aku kasutab oma väljundvõimsuseks. Seda kiiret ja lihtsat protsessi kasutavad nüüd miljardid inimesed üle maailma oma seadmete kütusena.
Paljud liitium-ioonakude kaubamärgid on ühekordsed. Kuigi need võivad seadet toita nädalaid, kuid või isegi aastaid, tuleb see pärast aku tühjenemist utiliseerida ja välja vahetada. Kuid, laetavad liitiumpatareid on nüüd väga populaarsed, kuna need võivad säästa kasutajate raha ja tekitada vähem jäätmeid.
Aga miks just liitiumpatareid on parim valik? Mis teeb need tootjatele ja tarbijatele nii atraktiivseks valikuks?
Miks me kasutame liitiumpatareisid?
Kasutame peamiselt liitiumpatareisid, kuna nende eluiga võrreldes teiste akutüüpidega on pikk. Tootjad soovivad toota ja müüa akusid, mis annavad energiat mõneks päevaks, jäädes samas kergeks ja kompaktseks. Veelgi enam, vastavalt Puhta Energia InstituutLiitiumioonakude isetühjenemine on väga madal, umbes 1–2% kuus, mis tähendab, et iga kord, kui neid kasutatakse, kaotavad nad väiksema protsendi oma üldisest võimsusest.
Liitiumioonakud võivad toota energiat lihtsa keemilise protsessi abil, muutes need tootjate jaoks väga atraktiivseks võimaluseks. Sellele lisandub liitium-ioonakude energiatihedus, mis muudab need eelistatuimaks valikuks. Tavalise liitiumioonaku võimsus on 260–270 wh/kg (vatt-tundi kilogrammi kohta), pliiakud aga ainult 50–100 wh/kg (vastavalt Dragonfly Energy). Liitium-ioonakude energiatihedus on ka peamine põhjus, miks need on kasutatakse tavaliselt elektrisõidukites.
Nende tegurite tõttu on liitiumpatareid üldsuse seas populaarsed ja nende ostmine pole kallis. Kuigi teatud kaubamärkide või akude mudelite hind võib olla kõrgem, on tavalised liitiumipõhised akud üldiselt üsna taskukohased ja saadaval miljonites poodides üle maailma.
Kuid liitiumioonakud pole sugugi täiuslikud. Tegelikult on selle uskumatult populaarse toiteallikaga seotud mõned silmatorkavad probleemid.
Probleem liitiumpatareidega
Üks suurimaid liitiumioonakudega seotud probleeme on nende tekitatud jäätmete tohutu hulk. Paljud inimesed otsustavad aku tühjenemise järel utiliseerida tavalise prügi hulka, mis kahjustab keskkonda.
Kui liitiumioonakud utiliseeritakse koos muude üldkasutatavate jäätmetega, mis ei ole ringlussevõetavad, satuvad need prügilasse. Kui nad siia maanduvad, võivad nende komponendid leostuda ja ümbritsevat keskkonda tõsiselt kahjustada. Liitium, nikkel, koobalt ja mangaan võivad kõik kujutada endast tõsist saastumise ohtu ning neid kõiki leidub erinevates liitiumipõhistes akudes.
Veelgi enam, selle akutüübi liitiumi eraldamine kahjustab ka meie planeeti. Liitiumi saab ekstraheerida soola kaevandamise või aurustamise teel, kusjuures mõlemal protsessil on keskkonnale ebameeldiv mõju. Saastumine, vee suurenenud soolsus, CO2 heitkogused ja bioloogilise mitmekesisuse vähenemine on liitiumi kaevandamise murettekitavad kõrvalmõjud.
Arvestades, et liitiumakude turg kasvab aastatel 2020–2026 eeldatavasti 14,6 protsenti (nagu teatas Statistika), on tõenäoline, et liitiumi ekstraheerimise protsess kujutab jätkuvalt ohtu keskkonnale. See on ka a kasvav mure elektrisõidukite tootmises.
Niisiis, millised on alternatiivid?
4 parimat liitiumipõhise aku alternatiivi
1. Merevee akud
Soolased ookeanid katavad kaks kolmandikku meie planeedist. Niisiis, kuidas saab seda ressurssi elektritootmiseks kasutada?
Merevee akud kasutavad energia tootmiseks kontsentreeritud soolalahust. Merevee akud sisaldavad ka anoodi ja katoodi, kusjuures soolalahus toimib positiivsete naatriumioonide (Na+ ioonide) elektrolüüdina (või vektorina). Naatriumiioonid liiguvad katoodilt anoodile ja toodavad energiat.
Tegelikku merevett soolaveepatareides ei kasutata, kuid ookeanist saab koguda massiliselt soola ja seda nende akude jaoks kasutada. Soolase vee kasutamine akude valmistamiseks võib olla keskkonnale palju vähem kahjulik kui liitiumi, koobalti, nikli ja muude patareides kasutatavate metallide ekstraheerimisprotsessid.
2. Klaasist patareid
Klaaspatareid võivad tunduda pisut ebatavalised, kuid neil on suur potentsiaal. Klaaspatarei on suhteliselt uus idee, mille kontseptsiooni tegi esmakordselt füüsik John Goodenough 2017. aastal. See aku, tuntud kui "Goodenough aku", kasutab elektrolüüdina klaasi. Kui aku elektrolüüdid on tavaliselt vedelal kujul, siis klaasaku on täiesti tahke.
Tahke elektrolüüdi kasutamine on tunduvalt ohutum kui vedelate elektrolüütide kasutamine, mis vähendab tulekahjude tekkimise võimalust ja kõrvaldab prügilatesse sattumise ohu. Veelgi enam, klaasaku võib kesta kauem kui liitiumioonakud, muutes need üldiselt säästvamaks alternatiiviks. Klaaspatareides kasutatakse ka naatriumi, mis, nagu soolaveepatareide rääkimisel mainitud, on säästvam ressurss kui traditsioonilised akumetallid.
3. Naatrium-väävelakud
Naatriumväävelakud (NaS) on vedela olekuga aku vorm, mis kasutab sulaanoode ja katoode. Sel juhul on anood ja katood vedelal kujul, kusjuures esimene on sulatatud naatrium ja teine sula väävel. Need akud on eksisteerinud alates 1960. aastatest enne liitiumioonaku leiutamist. Kuid milline on NaS-i aku potentsiaal meie maailmas?
Naatrium-väävelakude suur eelis on nende suurem energiatihedus kui liitium-ioonakudel. Tegelikult, Sydney ülikooli teadlased lõi 2022. aastal liitiumioonakudest neli korda suurema energiamahuga naatrium-väävelaku. Veelgi enam, naatrium-väävelakud on vähem mürgised kui liitiumioonakud, mis on keskkonnale hea uudis.
4. Kanepipatareid
Te ei arva, et kanep võib liitiumioonakusid asendada, kuid see taim on taas tõestanud oma mitmekülgsust. Nendel patareidel on aga hoiatus: nende tööks kasutatakse endiselt raskemetalle, näiteks liitiumi.
Eco Watch teatab, et üks näide kanepitoitel töötavast akust, mille teadlased töötasid välja 2022. aastal, kasutab oma energiatootmise protsessis liitiumi ja väävlit. Erinevus seisneb selles, et muid raskmetalle, nagu niklit või koobaltit, ei kasutata ning aku enda jõudlus on võrreldes traditsiooniliste liitiumioonvariantidega parem. Seda seetõttu, et kanep aitab katoodil pikendada oma eluiga korduvate tsüklite kaudu.
Kanepipõhised akud on ka kulutõhusamad ja nende kasutamist elektrisõidukites kaalutakse. Erinevate EV akutüüpide kohta lisateabe saamiseks vaadake meie teemale pühendatud kirjatükk.
Akutööstus võib tulevikus muutuda palju rohelisemaks
Kuna liitium-ioonakudele on sellised paljulubavad alternatiivid juba töös, on põnev mõelda akutööstuse tulevikule. Kui selliseid alternatiive edukalt turustada, saame ära hoida lugematuid keskkonnaprobleeme ja katastroofe. Kokkuvõttes on see liitiumioonide asendamise jaoks kasulik!
