Litij-ionska baterija ali Li-ion baterija (skrajšano LIB) je vrsta baterije za ponovno polnjenje.Litij-ionske baterije se običajno uporabljajo za prenosno elektroniko in električna vozila ter postajajo vse bolj priljubljene za vojaške in vesoljske aplikacije.Akira Yoshino je leta 1985 na podlagi prejšnjih raziskav Johna Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama, Rachida Yazamija in Koichija Mizushime razvil prototip litij-ionske baterije v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja, nato pa je komercialno litij-ionsko baterijo razvila Ekipa Sony in Asahi Kasei, ki jo je leta 1991 vodil Yoshio Nishi. Leta 2019 so Nobelovo nagrado za kemijo prejeli Yoshino, Goodenough in Whittingham "za razvoj litij-ionskih baterij".

V baterijah se litijevi ioni premikajo od negativne elektrode skozi elektrolit do pozitivne elektrode med praznjenjem in nazaj pri polnjenju.Li-ionske baterije uporabljajo interkalirano litijevo spojino kot material na pozitivni elektrodi in običajno grafit na negativni elektrodi.Baterije imajo visoko energijsko gostoto, brez spominskega učinka (razen LFP celic) in nizko samopraznjenje.Lahko pa predstavljajo varnostno nevarnost, saj vsebujejo vnetljive elektrolite, in če so poškodovani ali nepravilno napolnjeni, lahko povzročijo eksplozije in požare.Samsung je bil zaradi litij-ionskih požarov prisiljen odpoklicati telefone Galaxy Note 7, na Boeingih 787 pa je bilo več incidentov, ki so vključevali baterije.

Kemijske lastnosti, zmogljivost, stroški in varnost se razlikujejo med vrstami LIB.Ročna elektronika večinoma uporablja litij-polimerne baterije (s polimernim gelom kot elektrolitom) z litij-kobaltovim oksidom (LiCoO2) kot katodnim materialom, ki ponuja visoko energijsko gostoto, vendar predstavlja varnostna tveganja, zlasti če so poškodovani.Litijev železov fosfat (LiFePO4), litij-manganov oksid (LiMn2O4, Li2MnO3 ali LMO) in litij-nikelj-mangan-kobaltov oksid (LiNiMnCoO2 ali NMC) ponujajo nižjo energijsko gostoto, vendar daljšo življenjsko dobo in manjšo verjetnost požara ali eksplozije.Takšne baterije se pogosto uporabljajo za električna orodja, medicinsko opremo in druge vloge.NMC in njegovi derivati ​​se pogosto uporabljajo v električnih vozilih.

Raziskovalna področja za litij-ionske baterije med drugim vključujejo podaljšanje življenjske dobe, povečanje gostote energije, izboljšanje varnosti, znižanje stroškov in povečanje hitrosti polnjenja.Potekajo raziskave na področju negorljivih elektrolitov kot poti do povečane varnosti na podlagi vnetljivosti in hlapnosti organskih topil, uporabljenih v tipičnem elektrolitu.Strategije vključujejo vodne litij-ionske baterije, keramične trdne elektrolite, polimerne elektrolite, ionske tekočine in močno fluorirane sisteme.

Baterija proti celici

Celica je osnovna elektrokemična enota, ki vsebuje elektrode, separator in elektrolit.

Baterija ali baterijski paket je zbirka celic ali celičnih sklopov z ohišjem, električnimi priključki in morda elektroniko za nadzor in zaščito.

Anodne in katodne elektrode
Za polnilne celice izraz anoda (ali negativna elektroda) označuje elektrodo, kjer poteka oksidacija med ciklom praznjenja;druga elektroda je katoda (ali pozitivna elektroda).Med ciklom polnjenja pozitivna elektroda postane anoda, negativna elektroda pa katoda.Za večino litij-ionskih celic je litij-oksidna elektroda pozitivna elektroda;pri titanatnih litij-ionskih celicah (LTO) je litij-oksidna elektroda negativna elektroda.

Zgodovina

Ozadje

Litij-ionska baterija Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Nemčija
Litijeve baterije je predlagal britanski kemik in soprejemnik Nobelove nagrade za kemijo za leto 2019 M. Stanley Whittingham, zdaj na univerzi Binghamton, medtem ko je delal za Exxon v sedemdesetih letih.Whittingham je kot elektrodi uporabil titanov(IV) sulfid in litij.Vendar te litijeve baterije za ponovno polnjenje nikoli ni bilo mogoče narediti praktične.Titanov disulfid je bil slaba izbira, saj ga je treba sintetizirati v popolnoma zaprtih pogojih, poleg tega pa je bil precej drag (~ 1000 $ na kilogram za surovino titanovega disulfida v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja).Ko je izpostavljen zraku, titanov disulfid reagira in tvori spojine vodikovega sulfida, ki imajo neprijeten vonj in so strupene za večino živali.Zaradi tega in drugih razlogov je Exxon prekinil razvoj Whittinghamove litij-titanove disulfidne baterije.[28]Baterije s kovinskimi litijevimi elektrodami so predstavljale varnostne težave, saj kovinski litij reagira z vodo in sprošča vnetljiv vodikov plin.Posledično so se raziskave preselile v razvoj baterij, v katerih so namesto kovinskega litija prisotne le litijeve spojine, ki so sposobne sprejemati in sproščati litijeve ione.

Reverzibilno interkalacijo v grafitu in interkalacijo v katodne okside je v letih 1974–76 odkril JO Besenhard na TU München.Besenhard je predlagal njegovo uporabo v litijevih celicah.Razgradnja elektrolita in ko-interkalacija topila v grafit sta bili resni zgodnji pomanjkljivosti za življenjsko dobo baterije.

razvoj

1973 – Adam Heller je predlagal litij tionil kloridno baterijo, ki se še vedno uporablja v implantiranih medicinskih napravah in v obrambnih sistemih, kjer se zahteva več kot 20-letna življenjska doba, visoka energijska gostota in/ali toleranca za ekstremne delovne temperature.
1977 - Samar Basu je na Univerzi v Pensilvaniji pokazal elektrokemično interkalacijo litija v grafit.To je pripeljalo do razvoja uporabne litijeve interkalirane grafitne elektrode v Bell Labs (LiC6), ki je zagotovila alternativo bateriji litijeve kovinske elektrode.
1979 – Ned A. Godshall et al., in kmalu zatem, John B. Goodenough (Univerza Oxford) in Koichi Mizushima (Univerza v Tokiu), so z delom v ločenih skupinah prikazali litijevo celico za ponovno polnjenje z napetostjo v območju 4 V z uporabo litija. kobaltov dioksid (LiCoO2) kot pozitivna elektroda in kovinski litij kot negativna elektroda.Ta inovacija je zagotovila material pozitivne elektrode, ki je omogočil zgodnje komercialne litijeve baterije.LiCoO2 je stabilen material pozitivne elektrode, ki deluje kot donator litijevih ionov, kar pomeni, da se lahko uporablja z negativnim materialom elektrode, ki ni kovinski liti.Z omogočanjem uporabe stabilnih in enostavnih za rokovanje materialov negativnih elektrod je LiCoO2 omogočil nove sisteme baterij za ponovno polnjenje.Godshall et al.nadalje identificiral podobno vrednost trojnih spojin litijevih prehodnih kovinskih oksidov, kot so spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 in LiFe5O4 (in kasneje litij-bakr-oksid in litij-nikelj-oksidni katodni materiali) v 1985.
1980 - Rachid Yazami je pokazal reverzibilno elektrokemično interkalacijo litija v grafit in izumil litijevo grafitno elektrodo (anodo).Organski elektroliti, ki so bili takrat na voljo, bi se med polnjenjem z grafitno negativno elektrodo razgradili.Yazami je uporabil trden elektrolit, da bi dokazal, da se litij lahko reverzibilno vstavi v grafit z elektrokemičnim mehanizmom.Od leta 2011 je bila Yazamijeva grafitna elektroda najpogosteje uporabljena elektroda v komercialnih litij-ionskih baterijah.
Negativna elektroda izvira iz PAS (poliacenskega polprevodnega materiala), ki ga je odkril Tokio Yamabe in kasneje Shjzukuni Yata v zgodnjih osemdesetih letih.Seme te tehnologije je bilo odkritje prevodnih polimerov s strani profesorja Hidekija Shirakawe in njegove skupine, prav tako pa je bilo mogoče videti, da se je začela s poliacetilen litij-ionsko baterijo, ki sta jo razvila Alan MacDiarmid in Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.so prejeli ameriški patent 4,340,652 za ​​uporabo LiCoO2 kot katod v litijevih baterijah, na podlagi Godshallovega doktorja znanosti na univerzi Stanford.disertacije in 1979 publikacij.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David in John Goodenough so razvili manganovo špinelo kot komercialno pomemben napolnjen katodni material za litij-ionske baterije.
1985 - Akira Yoshino je sestavil prototip celice z uporabo ogljikovega materiala, v katerega je bilo mogoče vstaviti litijeve ione kot eno elektrodo in litijev kobaltov oksid (LiCoO2) kot drugo.To je dramatično izboljšalo varnost.LiCoO2 je omogočil industrijsko proizvodnjo in omogočil komercialno litij-ionsko baterijo.
1989 – Arumugam Manthiram in John B. Goodenough sta odkrila polianionski razred katod.Pokazali so, da pozitivne elektrode, ki vsebujejo polianione, npr. sulfate, zaradi induktivnega učinka polianiona proizvajajo višje napetosti kot oksidi.Ta razred polianionov vsebuje materiale, kot je litij-železov fosfat.

< nadaljevanje...>