Bateria litowo-jonowa lub bateria litowo-jonowa (w skrócie LIB) to rodzaj akumulatora.Baterie litowo-jonowe są powszechnie używane w przenośnych urządzeniach elektronicznych i pojazdach elektrycznych i zyskują na popularności w zastosowaniach wojskowych i kosmicznych.Prototypowy akumulator litowo-jonowy został opracowany przez Akira Yoshino w 1985 roku, w oparciu o wcześniejsze badania Johna Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama, Rachida Yazami i Koichi Mizushimy w latach 70.-1980, a następnie komercyjny akumulator litowo-jonowy został opracowany przez Zespół Sony i Asahi Kasei kierowany przez Yoshio Nishi w 1991 r. W 2019 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Yoshino, Goodenough i Whittingham „za rozwój akumulatorów litowo-jonowych”.

W akumulatorach jony litu przemieszczają się z elektrody ujemnej przez elektrolit do elektrody dodatniej podczas rozładowania iz powrotem podczas ładowania.Akumulatory litowo-jonowe wykorzystują interkalowany związek litu jako materiał na elektrodzie dodatniej i zazwyczaj grafit na elektrodzie ujemnej.Akumulatory charakteryzują się dużą gęstością energii, brakiem efektu pamięci (poza ogniwami LFP) i niskim samorozładowaniem.Mogą jednak stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa, ponieważ zawierają łatwopalne elektrolity, a ich uszkodzenie lub nieprawidłowe naładowanie może prowadzić do wybuchów i pożarów.Samsung został zmuszony do wycofania telefonów Galaxy Note 7 po pożarach litowo-jonowych i miało miejsce kilka incydentów z bateriami w Boeingach 787.

Charakterystyka chemii, wydajności, kosztów i bezpieczeństwa różni się w zależności od typu LIB.Elektronika podręczna wykorzystuje głównie baterie litowo-polimerowe (z żelem polimerowym jako elektrolitem) z tlenkiem litowo-kobaltowym (LiCoO2) jako materiałem katodowym, który zapewnia wysoką gęstość energii, ale stwarza zagrożenie bezpieczeństwa, zwłaszcza w przypadku uszkodzenia.Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4), tlenek litowo-manganowy (LiMn2O4, Li2MnO3 lub LMO) i tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy (LiNiMnCoO2 lub NMC) oferują niższą gęstość energii, ale dłuższą żywotność i mniejsze prawdopodobieństwo pożaru lub wybuchu.Takie baterie są szeroko stosowane w elektronarzędziach, sprzęcie medycznym i innych rolach.NMC i jego pochodne są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych.

Obszary badawcze dotyczące akumulatorów litowo-jonowych obejmują między innymi wydłużenie żywotności, zwiększenie gęstości energii, poprawę bezpieczeństwa, zmniejszenie kosztów i zwiększenie prędkości ładowania.Prowadzone są badania w dziedzinie niepalnych elektrolitów jako drogi do zwiększenia bezpieczeństwa w oparciu o palność i lotność rozpuszczalników organicznych stosowanych w typowym elektrolicie.Strategie obejmują wodne baterie litowo-jonowe, ceramiczne elektrolity stałe, elektrolity polimerowe, ciecze jonowe i systemy silnie fluorowane.

Bateria kontra ogniwo

Ogniwo to podstawowa jednostka elektrochemiczna zawierająca elektrody, separator i elektrolit.

Bateria lub pakiet baterii to zbiór ogniw lub zespołów ogniw z obudową, połączeniami elektrycznymi i ewentualnie elektroniką do sterowania i ochrony.

Elektrody anodowe i katodowe
W przypadku ogniw ładowalnych termin anoda (lub elektroda ujemna) oznacza elektrodę, w której podczas cyklu rozładowania zachodzi utlenianie;druga elektroda to katoda (lub elektroda dodatnia).Podczas cyklu ładowania elektroda dodatnia staje się anodą, a elektroda ujemna katodą.W przypadku większości ogniw litowo-jonowych elektroda z tlenku litu jest elektrodą dodatnią;w przypadku tytanianowych ogniw litowo-jonowych (LTO) elektroda z tlenku litu jest elektrodą ujemną.

Historia

Tło

Akumulator litowo-jonowy Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Niemcy
Baterie litowe zostały zaproponowane przez brytyjskiego chemika i współlaureata nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2019 r. M. Stanleya Whittinghama, obecnie na Binghamton University, podczas pracy dla Exxon w latach 70. XX wieku.Whittingham użył jako elektrod siarczku tytanu(IV) i litu.Jednak ta ładowalna bateria litowa nigdy nie byłaby praktyczna.Dwusiarczek tytanu był złym wyborem, ponieważ musi być syntetyzowany w całkowicie zamkniętych warunkach, a także jest dość drogi (~1000 USD za kilogram za surowiec dwusiarczku tytanu w latach 70.).Pod wpływem powietrza dwusiarczek tytanu reaguje, tworząc związki siarkowodoru, które mają nieprzyjemny zapach i są toksyczne dla większości zwierząt.Z tego i innych powodów Exxon zaprzestał opracowywania baterii litowo-tytanowej firmy Whittingham.[28]Baterie z metalowymi elektrodami litowymi stwarzają problemy z bezpieczeństwem, ponieważ metaliczny lit reaguje z wodą, uwalniając łatwopalny gazowy wodór.W związku z tym badania posunęły się do opracowania akumulatorów, w których zamiast metalicznego litu obecne są tylko związki litu, zdolne do przyjmowania i uwalniania jonów litu.

Odwracalna interkalacja w graficie i interkalacja do tlenków katodowych została odkryta w latach 1974-76 przez JO Besenharda w TU Monachium.Besenhard zaproponował jego zastosowanie w ogniwach litowych.Rozkład elektrolitu i współinterkalacja rozpuszczalnika do grafitu były poważnymi wczesnymi wadami dotyczącymi żywotności baterii.

Rozwój

1973 – Adam Heller zaproponował baterię litowo-chlorkowo-tionylową, nadal stosowaną w implantowanych urządzeniach medycznych i systemach obronnych, gdzie wymagany jest ponad 20-letni okres trwałości, wysoka gęstość energii i/lub tolerancja na ekstremalne temperatury pracy.
1977 – Samar Basu zademonstrował elektrochemiczną interkalację litu w graficie na Uniwersytecie Pensylwanii.Doprowadziło to do opracowania w Bell Labs (LiC6) użytecznej elektrody grafitowej z interkalowanym litem, aby zapewnić alternatywę dla baterii elektrod litowo-metalicznych.
1979 – Pracując w oddzielnych grupach, Ned A. Godshall i in., a wkrótce potem John B. Goodenough (Oxford University) i Koichi Mizushima (Tokio University), zademonstrowali ładowalne ogniwo litowe o napięciu w zakresie 4 V przy użyciu litu Dwutlenek kobaltu (LiCoO2) jako elektroda dodatnia i metaliczny lit jako elektroda ujemna.Ta innowacja zapewniła materiał elektrody dodatniej, który umożliwił wczesne komercyjne baterie litowe.LiCoO2 to stabilny materiał elektrody dodatniej, który działa jako donor jonów litu, co oznacza, że ​​może być używany z materiałem elektrody ujemnej innym niż metaliczny lit.Dzięki umożliwieniu stosowania stabilnych i łatwych w obsłudze materiałów na elektrody ujemne, LiCoO2 umożliwił nowatorskie systemy akumulatorów.Godshall i in.dalej zidentyfikowano podobną wartość trójskładnikowych związków tlenków metali przejściowych litu, takich jak spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 i LiFe5O4 (a później materiały katodowe z tlenku miedzi i litu z tlenku niklu w 1985 r.)
1980 – Rachid Yazami zademonstrował odwracalną elektrochemiczną interkalację litu w graficie i wynalazł elektrodę litowo-grafitową (anodę).Dostępne w tym czasie elektrolity organiczne rozkładałyby się podczas ładowania grafitową elektrodą ujemną.Yazami użył stałego elektrolitu, aby zademonstrować, że lit może być odwracalnie interkalowany w graficie za pomocą mechanizmu elektrochemicznego.Od 2011 roku elektroda grafitowa Yazami była najczęściej używaną elektrodą w komercyjnych akumulatorach litowo-jonowych.
Elektroda ujemna ma swoje początki w PAS (poliacenowy materiał półprzewodnikowy) odkrytym przez Tokio Yamabe, a później przez Shjzukuni Yata na początku lat 80-tych.Ziarnem tej technologii było odkrycie polimerów przewodzących przez profesora Hideki Shirakawę i jego zespół, a także można było postrzegać jako początek od baterii litowo-jonowej poliacetylenu opracowanej przez Alana MacDiarmida i Alana J. Heegera i in.
1982 – Godshall i in.otrzymali patent USA 4,340,652 za ​​zastosowanie LiCoO2 jako katod w bateriach litowych, na podstawie badania doktora Godshall's Stanford University.rozprawa i publikacje z 1979 roku.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David i John Goodenough opracowali spinel manganowy jako odpowiedni handlowo naładowany materiał katodowy do akumulatorów litowo-jonowych.
1985 – Akira Yoshino zmontował prototypowe ogniwo z materiału węglowego, do którego można wprowadzić jony litu jako jedną elektrodę, a tlenek litu i kobaltu (LiCoO2) jako drugą.To radykalnie poprawiło bezpieczeństwo.LiCoO2 umożliwił produkcję na skalę przemysłową i umożliwił komercyjną baterię litowo-jonową.
1989 – Arumugam Manthiram i John B. Goodenough odkryli klasę polianionów katod.Wykazali, że elektrody dodatnie zawierające polianiony, np. siarczany, wytwarzają wyższe napięcia niż tlenki ze względu na indukcyjne działanie polianionu.Ta klasa polianionów zawiera materiały takie jak fosforan litowo-żelazowy.

< ciąg dalszy…>