Литиево-йонна батерия или литиево-йонна батерия (съкратено LIB) е вид акумулаторна батерия.Литиево-йонните батерии обикновено се използват за преносима електроника и електрически превозни средства и стават все по-популярни за военни и космически приложения.Прототипна литиево-йонна батерия е разработена от Акира Йошино през 1985 г. въз основа на по-ранни изследвания на Джон Гуденаф, М. Стенли Уитингам, Рачид Язами и Коичи Мизушима през 70-те – 1980-те години, а след това търговска литиево-йонна батерия е разработена от Екипът на Sony и Asahi Kasei, ръководен от Йошио Ниши през 1991 г. През 2019 г. Нобеловата награда по химия беше дадена на Йошино, Гуденаф и Уитингам „за разработването на литиево-йонни батерии“.

В батериите литиевите йони се движат от отрицателния електрод през електролит към положителния електрод по време на разреждане и обратно при зареждане.Литиево-йонните батерии използват интеркалирано литиево съединение като материал на положителния електрод и обикновено графит при отрицателния електрод.Батериите имат висока енергийна плътност, без ефект на памет (различни от LFP клетки) и нисък саморазряд.Те обаче могат да представляват опасност за безопасността, тъй като съдържат запалими електролити и ако са повредени или неправилно заредени могат да доведат до експлозии и пожари.Samsung беше принуден да изтегли телефоните Galaxy Note 7 след литиево-йонни пожари и имаше няколко инцидента, включващи батерии на Boeing 787.

Характеристиките на химията, производителността, разходите и безопасността варират при различните типове LIB.Ръчната електроника използва предимно литиево-полимерни батерии (с полимерен гел като електролит) с литиево-кобалтов оксид (LiCoO2) като катоден материал, който предлага висока енергийна плътност, но представлява рискове за безопасността, особено когато са повредени.Литиево-железен фосфат (LiFePO4), литиев манганов оксид (LiMn2O4, Li2MnO3 или LMO) и литиево-никел-манганов кобалтов оксид (LiNiMnCoO2 или NMC) предлагат по-ниска енергийна плътност, но по-дълъг живот и по-малка вероятност от пожар или експлозия.Такива батерии се използват широко за електрически инструменти, медицинско оборудване и други роли.NMC и неговите производни се използват широко в електрическите превозни средства.

Изследователските области за литиево-йонни батерии включват удължаване на живота, увеличаване на енергийната плътност, подобряване на безопасността, намаляване на разходите и увеличаване на скоростта на зареждане, наред с други.Провеждат се изследвания в областта на незапалимите електролити като път към повишена безопасност въз основа на запалимостта и летливостта на органичните разтворители, използвани в типичния електролит.Стратегиите включват водни литиево-йонни батерии, керамични твърди електролити, полимерни електролити, йонни течности и силно флуорирани системи.

Батерия срещу клетка

Клетката е основна електрохимична единица, която съдържа електродите, сепаратора и електролита.

Батерията или батерията е съвкупност от клетки или клетъчни възли, с корпус, електрически връзки и евентуално електроника за управление и защита.

Анодни и катодни електроди
За акумулаторни клетки терминът анод (или отрицателен електрод) обозначава електрода, където се извършва окисляването по време на цикъла на разреждане;другият електрод е катодът (или положителният електрод).По време на цикъла на зареждане положителният електрод става анод, а отрицателният електрод става катод.За повечето литиево-йонни клетки, литиево-оксидният електрод е положителният електрод;за титанатни литиево-йонни клетки (LTO), литиево-оксидният електрод е отрицателният електрод.

История

Заден план

Литиево-йонна батерия Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Германия
Литиевите батерии бяха предложени от британския химик и съполучател на Нобеловата награда за химия за 2019 г. М. Стенли Уитингам, сега в университета Бингамтън, докато работеше за Exxon през 70-те години на миналия век.Уитингам използва титанов (IV) сулфид и литиев метал като електроди.Тази акумулаторна литиева батерия обаче никога не може да бъде направена практична.Титановият дисулфид беше лош избор, тъй като трябваше да се синтезира при напълно запечатани условия, като също беше доста скъп (~ 1000 долара за килограм за суровината от титанов дисулфид през 70-те години на миналия век).Когато е изложен на въздух, титановият дисулфид реагира и образува сероводородни съединения, които имат неприятна миризма и са токсични за повечето животни.Поради тази и други причини Exxon преустановява разработването на литиево-титаниев дисулфид на Whittingham.[28]Батериите с метални литиеви електроди представляват проблеми с безопасността, тъй като металният литий реагира с вода, отделяйки запалим водороден газ.Следователно изследванията се насочиха към разработване на батерии, в които вместо метален литий присъстват само литиеви съединения, способни да приемат и освобождават литиеви йони.

Обратимото интеркалиране в графит и интеркалирането в катодни оксиди е открито през 1974–76 г. от JO Besenhard в TU Мюнхен.Безенхард предложи приложението му в литиеви клетки.Разлагането на електролита и съвместното интеркалиране на разтворителя в графит бяха сериозни ранни недостатъци за живота на батерията.

Развитие

1973 г. – Адам Хелър предлага литиево-тионилхлоридната батерия, която все още се използва в имплантирани медицински устройства и в защитни системи, където се изисква по-дълъг от 20-годишен срок на годност, висока енергийна плътност и/или толерантност към екстремни работни температури.
1977 – Самар Басу демонстрира електрохимично интеркалиране на литий в графит в Университета на Пенсилвания.Това доведе до разработването на работещ литиев интеркалиран графитен електрод в Bell Labs (LiC6), за да осигури алтернатива на батерията с литиев метален електрод.
1979 г. – Работейки в отделни групи, Ned A. Godshall et al., и малко след това, John B. Goodenough (Оксфордския университет) и Koichi Mizushima (Tokyo University), демонстрираха акумулаторна литиева клетка с напрежение в диапазона 4 V, използвайки литий кобалтов диоксид (LiCoO2) като положителен електрод и литиев метал като отрицателен електрод.Тази иновация предостави материала за положителния електрод, който позволи ранните търговски литиеви батерии.LiCoO2 е стабилен положителен електроден материал, който действа като донор на литиеви йони, което означава, че може да се използва с отрицателен електроден материал, различен от литиев метал.Като позволява използването на стабилни и лесни за работа материали за отрицателни електроди, LiCoO2 даде възможност за нови акумулаторни батерии.Godshall et al.допълнително идентифицира подобна стойност на трикомпонентните литиево-преходни метални окиси като шпинел LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 и LiFe5O4 (и по-късно литиево-мед-оксид и литиево-никелов оксид катодни материали) през 1988 г.
1980 – Рашид Язами демонстрира обратимо електрохимично интеркалиране на литий в графит и изобретява литиево-графитен електрод (анод).Органичните електролити, налични по това време, биха се разложили по време на зареждане с графитен отрицателен електрод.Язами използва твърд електролит, за да демонстрира, че литият може да бъде обратимо интеркалиран в графита чрез електрохимичен механизъм.От 2011 г. графитният електрод на Yazami е най-често използваният електрод в търговските литиево-йонни батерии.
Отрицателният електрод води началото си от PAS (полиаценов полупроводников материал), открит от Токио Ямабе и по-късно от Шджукуни Ята в началото на 80-те години.Зародишът на тази технология е откриването на проводими полимери от професор Хидеки Ширакава и неговата група, а също така може да се види, че започва от полиацетиленовата литиево-йонна батерия, разработена от Алън МакДиармид и Алън Дж. Хийгър и др.
1982 – Годшал и др.бяха удостоени с патент на САЩ 4,340,652 за използването на LiCoO2 като катоди в литиеви батерии, на базата на доктора на Godshall's Stanford University.дисертация и публикации от 1979 г.
1983 г. – Майкъл М. Такъри, Питър Брус, Уилям Дейвид и Джон Гудънаф разработиха манганов шпинел като комерсиално подходящ зареден катоден материал за литиево-йонни батерии.
1985 г. – Акира Йошино сглобява прототипна клетка, използвайки въглероден материал, в който литиеви йони могат да бъдат вмъкнати като един електрод и литиево-кобалтов оксид (LiCoO2) като другия.Това драстично подобри безопасността.LiCoO2 даде възможност за производство в промишлен мащаб и даде възможност за търговската литиево-йонна батерия.
1989 – Арумугам Мантирам и Джон Б. Гуденаф откриват полианионния клас катоди.Те показаха, че положителните електроди, съдържащи полианиони, например сулфати, произвеждат по-високо напрежение от оксидите поради индуктивния ефект на полианиона.Този клас полианион съдържа материали като литиево-железен фосфат.

<продължение...>