Akumulatory najczęściej stosowane do magazynowania energii 

Akumulatory to urządzenia służące do magazynowania energii elektrycznej i uwalniania jej w razie potrzeby. W przeciwieństwie do baterii stosowanych w życiu codziennym, w których energia elektryczna jest wytwarzana poprzez bezpośrednie przekształcanie energii chemicznej, zasadę magazynowania energii w "akumulatorze wodnym" doskonale ilustruje przykład elektrowni szczytowo-pompowej Nant de Drance. Elektrownia zlokalizowana jest w Alpach Szwajcarskich i ma zdolność magazynowania energii elektrycznej większą niż 400000 akumulatorów samochodów elektrycznych.

Akumulator wodny wykorzystuje hydrogeneratory i dwa zbiorniki wodne: jeden górny i jeden dolny. W godzinach szczytu woda ze zbiornika położonego na większej wysokości jest spuszczana i służy do wytwarzania energii elektrycznej. W okresach nadprodukcji energii, woda jest pompowana z powrotem do zbiornika górnego i magazynowana do późniejszego wykorzystania. 

Akumulator wodny doskonały przykład, który jednak różni się od zwykłych przenośnych akumulatorów, używanych w wielu obszarach współczesnego życia codziennego. Konwencjonalne akumulatory składają się z pojedynczych ogniw elektrochemicznych lub serii ogniw wytwarzających energię elektryczną. 

W osiąganiu przez przemysł celu, jakim jest zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, niewiele technologii pełni ważniejszą rolę niż baterie elektrochemiczne. Zasilają one pojazdy elektryczne, magazynują energię elektryczną z paneli słonecznych i turbin wiatrowych oraz stabilizują sieć elektroenergetyczną. W dwóch ostatnich zastosowaniach akumulatory odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu ekonomicznie opłacalnej ekspansji odnawialnych źródeł energii na dużą skalę. 

Z uwagi na poważny wpływ akumulatorów na środowisko, cały cykl produkcyjny, od wydobycia po utylizację wymaga gruntownej analizy. Dzięki temu transformacja energetyczna nie spowoduje, że zamiast dotychczasowych problemów dla środowiska pojawią się inne, równie szkodliwe.

Klasyfikacja akumulatorów wykonanych z ogniw elektrochemicznych obejmuje główne rodzaje: ogniwa pierwotne, wtórne i trzeciego rzędu. Dzięki zastosowaniu różnych metali i elektrolitów w tych ogniwach można uzyskać właściwości odpowiednie dla różnych zastosowań.

Baterie pierwotne, zwane również jednorazowymi, nie mogą być ponownie ładowane i muszą być utylizowane po zużyciu. Są one często używane w urządzeniach przenośnych, takich jak latarki i inne duże urządzenia elektroniczne. Przykłady to ogniwa suche, baterie alkaliczne, ogniwa cynkowo-węglowe i ogniwa litowe.

Baterie alkaliczne to najpopularniejsze baterie jednorazowe. Baterie jednorazowe tego rodzaju są najbardziej ekonomiczne, utrzymują stałe napięcie przez cały okres rozładowania i zapewniają niezawodną pracę. Jednak jednorazowe baterie alkaliczne mimo, że są praktyczne, nie są przyjazne dla środowiska.

Baterie wielokrotnego ładowania, znane również jako baterie wtórne lub akumulatory, mogą być wielokrotnie ładowane i ponownie wykorzystywane. W przeciwieństwie do baterii pierwotnych, przeznaczonych do jednorazowego użytku, zewnętrzny potencjał elektryczny jest wykorzystywany do odwrócenia reakcji chemicznej zachodzącej podczas rozładowania, dzięki czemu mogą być używane wielokrotnie. Ogniwa te są mają różny skład chemiczny, a mianowicie: kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe (Ni-Cd), niklowo-wodorkowe (Ni-MH) i litowo-jonowe (Li-ion). Baterie wielokrotnego ładowania są zazwyczaj droższe od baterii pierwotnych, a niektóre wymagają odpowiedniego obchodzenia się z nimi, aby nie dopuścić do ich przegrzania, co może nawet spowodować pożar lub wybuch.

Baterie trzeciego rzędu to najmniej rozpowszechniony typ baterii. W przeciwieństwie do baterii pierwotnych i wtórnych, ich ogniwa są oddzielone od innych komponentów aż do momentu aktywacji. Izolowanym składnikiem jest najczęściej elektrolit.

W przypadku baterii rezerwowych skutecznie wyeliminowano możliwość samorozładowania i ograniczono do minimum ich degradację. Większość baterii rezerwowych to baterie termiczne, które są wykorzystywane niemal wyłącznie w zastosowaniach wojskowych.

Dalsza część artykułu będzie poświęcona akumulatorom litowo-jonowym, które są najpopularniejsze.

Akumulatory litowo-jonowe są preferowanym typem baterii do szerokiego stosowania ze względu na ich długą żywotność, wysoką gęstość energii i pożądane parametry napięciowe. Długa lista zastosowań obejmuje zarówno małe aparaty słuchowe, telefony komórkowe, komputery, rowery i pojazdy elektryczne, jak i duże magazyny energii na skalę przemysłową.

W akumulatorach litowo-jonowych anoda (elektroda ujemna) i katoda (elektroda dodatnia) są zwykle wykonane z różnych materiałów. Jako elektrodę można zastosować dowolny materiał przewodzący, np.: metale, półprzewodniki, grafit lub polimery przewodzące.

Materiały elektrody dodatniej mają znaczący wpływ na wydajność, cykle ładowania i żywotność ogniw litowo-jonowych. Elektrolit przenosi dodatnio naładowane jony litu między anodą i katodą, natomiast separator służy jako bariera, która blokuje przepływ elektronów w akumulatorze a pozwala jedynie na przepływ jonów litu.

Na ujemnie naładowanej anodzie zachodzi reakcja utleniania, w trakcie której elektrony są uwalniane i poruszają się w kierunku zewnętrznej części obwodu. W większości akumulatorów litowo-jonowych jako materiał anody wykorzystywana jest mieszanka naturalnego grafitu wydobywanego z ziemi i grafitu syntetycznego uzyskiwanego z kalcynacji koksu naftowego. Powstała mieszanina ma strukturę warstwową, która umożliwia jonom litu migrację do tych warstw podczas ładowania i ich migrację w odwrotnym kierunku podczas rozładowania.

Katoda jest elektrodą dodatnią ogniwa, na której zachodzi reakcja redukcji chemicznej. W akumulatorach litowo-jonowych jako materiał katody stosowane są różne materiały, np. tlenek litowo-kobaltowy, fosforan litowo-żelazowy i tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy. Podczas cykli ładowania i rozładowywania materiały te mogą odwracalnie absorbować jony litu w swej strukturze krystalicznej, a następnie ponownie je uwalniać.

Produkcja akumulatorów litowo-jonowych wymaga wysokojakościowych minerałów o wyjątkowej czystości. Dlatego też ponad połowa kosztu produkcji akumulatorów litowo-jonowych to koszt katod i anod. Montaż katody, separatora, anod i kolektorów prądu również wymaga precyzyjnego wykonania poszczególnych czynności, np. przy układaniu poszczególnych warstw i owijaniu.

Akumulatory litowo-jonowe są na rynku od około 30 lat i w tym okresie odnotowały gwałtowny wzrost popularności.

Jednak od ponad stu lat istniały akumulatory wykonywane innymi technologiami, np. kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe i niklowo-wodorkowe. W kolejnych sekcjach opisano zalety i wady każdej z nich.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są znane od końca XIX wieku i nadal są szeroko stosowane. Baterie te są niedrogie, nadają się do recyklingu i nie wymagają skomplikowanych systemów zarządzania służącymi do ich konserwacji. W porównaniu z innymi typami akumulatorów charakteryzują się one jednak niską energią właściwą i ograniczoną liczbą cykli ładowania. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są używane do zasilania wózków inwalidzkich, wózków golfowych, oświetlenia awaryjnego i pojazdów z silnikami spalinowymi. Ze względu na obecność toksycznego ołowiu, muszą być odpowiednio utylizowane po zakończeniu eksploatacji.

W akumulatorach niklowo-kadmowych elektrody wykonane są z wodorotlenku niklu i metalicznego kadmu a elektrolitem jest alkaliczny wodorotlenek potasu. Jedną z ich głównych zalet jest możliwość szybkiego ładowania, ale wadą jest wysoki wskaźnik samorozładowania. Ponadto kadm, podobnie jak ołów, jest toksyczny.

Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe są lepsze od akumulatorów niklowo-kadmowych: charakteryzują się o 30% większą objętościową gęstością ładunku i znacznie wolniejszym samorozładowaniem. Ładowanie trwa jednak dłużej, a akumulatory te są szczególnie podatne na spadek pojemności przy wielokrotnym ładowaniu.

W porównaniu z bateriami wtórnymi o innym składzie chemicznym, akumulatory litowo-jonowe to nowoczesne osiągnięcie w dziedzinie akumulatorów. W porównaniu z akumulatorami trzech pozostałych typów, charakteryzują się one wysoką gęstością energii i mocy, oraz doskonałym stosunkiem masy do energii. Akumulatory litowo-jonowe są jednak bardzo łatwopalne i dlatego wymagają obwodu zabezpieczającego i ostrożnego, odpowiedniego obchodzenia się z nimi.

W najbliższej perspektywie spodziewane są zaawansowane akumulatory litowo-jonowe nowych generacji. Na przykład baterie litowo-siarkowe, w których zużyciu ulega anoda litowa, a siarka przekształca się w różne związki chemiczne. Potencjalnym rozwiązaniem są akumulatory półprzewodnikowe, ale ta koncepcja musi jeszcze przejść od fazy laboratoryjnej do fazy dojrzałości rynkowej.

Jesteśmy świadkami wielkiej transformacji energetycznej, więc przyszłość technologii akumulatorów ma bezpośredni wpływ na nas wszystkich. Obejmuje ona stosowane materiały, pozyskiwanie i wydobycie metali oraz ich utylizację, a najlepiej ich ponowne wykorzystanie. Zrównoważony rozwój akumulatorów musi uwzględniać krytyczne znaczenie surowców, ale równie zasługujące na uwagę kwestie pozyskiwania, utylizacji i ewentualnego ponownego wykorzystania tych minerałów.