Літій-іонна батарея або літій-іонна батарея (скорочено LIB) є типом акумуляторної батареї.Літій-іонні батареї зазвичай використовуються для портативної електроніки та електромобілів і стають все популярнішими у військових та аерокосмічних сферах.Прототип літій-іонної батареї був розроблений Акірою Йошіно в 1985 році на основі попередніх досліджень Джона Гуденафа, М. Стенлі Вітінгема, Рачіда Язамі та Коічі Мізусіми протягом 1970-1980-х років, а потім комерційний літій-іонний акумулятор був розроблений Команда Sony та Asahi Kasei на чолі з Йошіо Ніші в 1991 році. У 2019 році Нобелівську премію з хімії отримали Йошіно, Гуденаф і Вітінгем «за розробку літій-іонних акумуляторів».

В батареях іони літію рухаються від негативного електрода через електроліт до позитивного електрода під час розряду і назад під час зарядки.Літій-іонні батареї використовують інтеркальовану сполуку літію як матеріал на позитивному електроді і зазвичай графіт на негативному електроді.Акумулятори мають високу щільність енергії, відсутній ефект пам’яті (крім елементів LFP) і низький саморозряд.Однак вони можуть становити небезпеку, оскільки містять легкозаймисті електроліти, а пошкодження або неправильне заряджання можуть призвести до вибухів і пожеж.Компанія Samsung була змушена відкликати телефони Galaxy Note 7 через літій-іонні пожежі, а на Boeing 787 було кілька інцидентів із використанням акумуляторів.

Характеристики хімії, продуктивності, вартості та безпеки відрізняються у різних типів LIB.Ручна електроніка здебільшого використовує літій-полімерні батареї (з полімерним гелем як електроліт) з оксидом літій-кобальту (LiCoO2) як матеріалом катода, що забезпечує високу щільність енергії, але створює ризики для безпеки, особливо якщо вони пошкоджені.Фосфат заліза літію (LiFePO4), оксид літію марганцю (LiMn2O4, Li2MnO3 або LMO) та оксид літію-нікель-марганцю-кобальту (LiNiMnCoO2 або NMC) забезпечують меншу щільність енергії, але довший термін служби та меншу ймовірність пожежі або вибуху.Такі батареї широко використовуються для електроінструментів, медичного обладнання та інших цілей.NMC та його похідні широко використовуються в електромобілях.

Серед інших галузей досліджень літій-іонних акумуляторів є подовження терміну служби, збільшення щільності енергії, підвищення безпеки, зниження вартості та збільшення швидкості зарядки.Дослідження проводилися в області негорючих електролітів як шляху до підвищення безпеки на основі горючості та летючості органічних розчинників, що використовуються в типовому електроліті.Стратегії включають водні літій-іонні акумулятори, керамічні тверді електроліти, полімерні електроліти, іонні рідини та сильно фторовані системи.

Акумулятор проти елемента

Елемент — це основна електрохімічна одиниця, яка містить електроди, сепаратор і електроліт.

Батарея або акумуляторна батарея — це набір елементів або блоків елементів із корпусом, електричними з’єднаннями та, можливо, електронікою для керування та захисту.

Анодний і катодний електроди
Для акумуляторних елементів термін анод (або негативний електрод) позначає електрод, на якому відбувається окислення під час циклу розряду;іншим електродом є катод (або позитивний електрод).Під час циклу заряду позитивний електрод стає анодом, а негативний електрод стає катодом.Для більшості літій-іонних елементів позитивним електродом є літій-оксидний електрод;для титанатних літій-іонних елементів (LTO) літій-оксидний електрод є негативним електродом.

Історія

Фон

Літій-іонний акумулятор Varta, Музей Autovision, Альтлусхайм, Німеччина
Літієві батареї запропонував британський хімік і співлауреат Нобелівської премії з хімії 2019 року М. Стенлі Віттінгем, який зараз працює в Університеті Бінгемтона, під час роботи в Exxon у 1970-х роках.Віттінгем використовував сульфід титану(IV) і металевий літій як електроди.Однак цю літієву акумуляторну батарею ніколи не можна було зробити практичною.Дисульфід титану був поганим вибором, оскільки його доводилося синтезувати в повністю герметичних умовах, а також він був досить дорогим (~1000 доларів за кілограм для сировини дисульфіду титану в 1970-х роках).Під впливом повітря дисульфід титану реагує, утворюючи сполуки сірководню, які мають неприємний запах і є токсичними для більшості тварин.З цієї та інших причин Exxon припинила розробку літій-титанової дисульфідної батареї Віттінгема.[28]Акумулятори з металевими літієвими електродами створюють проблеми з безпекою, оскільки металевий літій реагує з водою, виділяючи легкозаймистий газоподібний водень.Отже, дослідження перейшли до розробки батарей, у яких замість металевого літію присутні лише сполуки літію, здатні сприймати та вивільняти іони літію.

Оборотна інтеркаляція в графіті та інтеркаляція в катодні оксиди була відкрита протягом 1974–76 рр. Й. О. Безенхардом в ТУ Мюнхена.Безенхард запропонував його застосування в літієвих елементах.Розкладання електроліту та ко-інтеркаляція розчинника в графіт були серйозними ранніми недоліками для терміну служби батареї.

Розвиток

1973 – Адам Хеллер запропонував літій-тіонілхлоридну батарею, яка досі використовується в імплантованих медичних пристроях і в системах захисту, де потрібний термін придатності понад 20 років, висока щільність енергії та/або стійкість до екстремальних робочих температур.
1977 – Самар Басу продемонстрував електрохімічну інтеркаляцію літію в графіт в Університеті Пенсільванії.Це призвело до розробки працездатного літієвого інтеркальованого графітового електрода в лабораторії Bell Labs (LiC6), щоб забезпечити альтернативу літієвому металевому електродному акумулятору.
1979 – Працюючи в окремих групах, Нед А. Годшал та інші, а невдовзі після цього Джон Б. Гуденаф (Оксфордський університет) і Коічі Мідзусіма (Токійський університет) продемонстрували літієвий елемент, що перезаряджається, з напругою в діапазоні 4 В з використанням літію. двоокис кобальту (LiCoO2) як позитивний електрод і металевий літій як негативний електрод.Ця інновація забезпечила матеріал позитивного електрода, який дозволив створювати перші комерційні літієві батареї.LiCoO2 є стабільним матеріалом позитивного електрода, який діє як донор іонів літію, що означає, що його можна використовувати з матеріалом негативного електрода, відмінним від металевого літію.Дозволяючи використовувати стабільні та прості в обігу матеріали негативних електродів, LiCoO2 створив нові системи акумуляторних батарей.Godshall та ін.далі виявлено подібне значення потрійних сполук літій-перехідних металів-оксидів, таких як шпінель LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 і LiFe5O4 (а пізніше літій-міді-оксид і літій-нікель-оксидні катодні матеріали) в 1988 році.
1980 – Рачід Язамі продемонстрував оборотну електрохімічну інтеркаляцію літію в графіт і винайшов літій-графітовий електрод (анод).Органічні електроліти, доступні в той час, розкладалися б під час заряджання за допомогою графітового негативного електрода.Язамі використав твердий електроліт, щоб продемонструвати, що літій можна оборотно вставляти в графіт за допомогою електрохімічного механізму.Станом на 2011 рік графітовий електрод Yazami був найбільш часто використовуваним електродом у комерційних літій-іонних акумуляторах.
Від’ємний електрод бере свій початок від PAS (поліаценового напівпровідникового матеріалу), відкритого Токіо Ямабе, а потім Шйзукуні Ята на початку 1980-х років.Початком цієї технології було відкриття провідних полімерів професором Хідекі Ширакава та його групою, а також можна було вважати, що вона почалася з поліацетилен-літій-іонної батареї, розробленої Аланом МакДіармідом та Аланом Дж. Хігером та ін.
1982 – Годшалл та ін.були нагороджені патентом США 4,340,652 на використання LiCoO2 як катодів в літієвих батареях, на основі доктора філософії Стенфордського університету Годшала.дисертація та 1979 публікацій.
1983 – Майкл М. Теккерей, Пітер Брюс, Вільям Девід та Джон Гуденаф розробили марганцеву шпінель як комерційно відповідний заряджений катодний матеріал для літій-іонних батарей.
1985 – Акіра Йошіно зібрав прототип елемента з використанням вуглецевого матеріалу, в який можна було вставити іони літію як один електрод, а оксид літій-кобальту (LiCoO2) як інший.Це значно підвищило безпеку.LiCoO2 увімкнув промислове виробництво та дозволив комерційний літій-іонний акумулятор.
1989 – Арумугам Мантірам і Джон Б. Гуденаф відкрили поліаніонний клас катодів.Вони показали, що позитивні електроди, що містять поліаніони, наприклад, сульфати, виробляють вищі напруги, ніж оксиди, завдяки індуктивному ефекту поліаніону.Цей клас поліаніонів містить такі матеріали, як фосфат заліза літію.

< продовження буде...>