Litijum-jonska baterija ili Li-jonska baterija (skraćeno LIB) je vrsta punjive baterije.Litijum-jonske baterije se obično koriste za prijenosnu elektroniku i električna vozila i postaju sve popularnije u vojnim i svemirskim aplikacijama.Prototip Li-ion baterije je razvio Akira Yoshino 1985. godine, na osnovu ranijih istraživanja Johna Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama, Rachida Yazamija i Koichija Mizushima tokom 1970-ih – 1980-ih, a zatim je razvijena komercijalna Li-ion baterija od strane Tim Sony i Asahi Kasei koji je predvodio Yoshio Nishi 1991. Godine 2019. Nobelovu nagradu za hemiju dobili su Yoshino, Goodenough i Whittingham "za razvoj litijum-jonskih baterija".

U baterijama se litijum joni kreću od negativne elektrode preko elektrolita do pozitivne elektrode tokom pražnjenja i nazad prilikom punjenja.Li-ion baterije koriste interkalirani litijum kao materijal na pozitivnoj elektrodi i tipično grafit na negativnoj elektrodi.Baterije imaju visoku gustinu energije, bez efekta memorije (osim LFP ćelija) i nisko samopražnjenje.Međutim, mogu predstavljati opasnost po sigurnost jer sadrže zapaljive elektrolite, a ako su oštećeni ili nepravilno napunjeni mogu dovesti do eksplozije i požara.Samsung je bio primoran da povuče Galaxy Note 7 telefone nakon litijum-jonskih požara, a bilo je i nekoliko incidenata koji su uključivali baterije na Boeing 787.

Karakteristike hemije, performansi, cijene i sigurnosti variraju među tipovima LIB-a.Ručna elektronika uglavnom koristi litijum-polimerske baterije (sa polimernim gelom kao elektrolitom) sa litijum-kobalt oksidom (LiCoO2) kao katodnim materijalom, koji nudi visoku gustoću energije, ali predstavlja bezbednosne rizike, posebno kada su oštećeni.Litijum gvožđe fosfat (LiFePO4), litijum mangan oksid (LiMn2O4, Li2MnO3 ili LMO) i litijum nikl mangan kobalt oksid (LiNiMnCoO2 ili NMC) nude nižu gustinu energije, ali duži životni vek i manju verovatnoću požara ili eksplozije.Takve baterije se široko koriste za električne alate, medicinsku opremu i druge uloge.NMC i njegovi derivati ​​se široko koriste u električnim vozilima.

Područja istraživanja litijum-jonskih baterija uključuju produženje životnog vijeka, povećanje gustine energije, poboljšanje sigurnosti, smanjenje troškova i povećanje brzine punjenja, između ostalog.Istraživanja su u toku u oblasti nezapaljivih elektrolita kao puta ka povećanju sigurnosti na osnovu zapaljivosti i isparljivosti organskih rastvarača koji se koriste u tipičnom elektrolitu.Strategije uključuju vodene litijum-jonske baterije, keramičke čvrste elektrolite, polimerne elektrolite, jonske tečnosti i jako fluorisane sisteme.

Baterija naspram ćelije

Ćelija je osnovna elektrohemijska jedinica koja sadrži elektrode, separator i elektrolit.

Baterija ili baterija je skup ćelija ili sklopova ćelija, sa kućištem, električnim priključcima i eventualno elektronikom za kontrolu i zaštitu.

Anodne i katodne elektrode
Za punjive ćelije, termin anoda (ili negativna elektroda) označava elektrodu na kojoj se oksidacija odvija tokom ciklusa pražnjenja;druga elektroda je katoda (ili pozitivna elektroda).Tokom ciklusa punjenja, pozitivna elektroda postaje anoda, a negativna elektroda postaje katoda.Za većinu litijum-jonskih ćelija, litijum-oksidna elektroda je pozitivna elektroda;za titanat litijum-jonske ćelije (LTO), litijum-oksidna elektroda je negativna elektroda.

istorija

Pozadina

Varta litijum-jonska baterija, Muzej Autovision, Altlussheim, Nemačka
Litijumske baterije je predložio britanski hemičar i suprimalac Nobelove nagrade za hemiju 2019. M. Stanley Whittingham, sada na Univerzitetu Binghamton, dok je radio za Exxon 1970-ih.Whittingham je koristio titanijum(IV) sulfid i metal litijum kao elektrode.Međutim, ova punjiva litijumska baterija nikada nije mogla biti praktična.Titanijum disulfid je bio loš izbor, jer se mora sintetisati u potpuno zatvorenim uslovima, a takođe je bio prilično skup (~1.000 dolara po kilogramu za sirovinu titanijum disulfida 1970-ih).Kada je izložen zraku, titanov disulfid reagira da formira spojeve sumporovodika, koji imaju neugodan miris i toksični su za većinu životinja.Iz ovog i drugih razloga, Exxon je prekinuo razvoj Whittinghamove litijum-titanijum disulfidne baterije.[28]Baterije sa metalnim litijumskim elektrodama predstavljale su bezbednosne probleme, jer metalni litijum reaguje sa vodom, oslobađajući zapaljivi vodonik.Shodno tome, istraživanja su krenula ka razvoju baterija u kojima su, umjesto metalnog litijuma, prisutna samo jedinjenja litijuma, koja su sposobna da prihvate i otpuštaju litijeve jone.

Reverzibilnu interkalaciju u grafitu i interkalaciju u katodne okside otkrio je tokom 1974–76. JO Besenhard na TU Minhenu.Besenhard je predložio njegovu primjenu u litijumskim ćelijama.Raspadanje elektrolita i ko-interkalacija rastvarača u grafit bili su ozbiljni rani nedostaci za vijek trajanja baterije.

Razvoj

1973 – Adam Heller je predložio litijum tionil hloridnu bateriju, koja se još uvek koristi u implantiranim medicinskim uređajima i u odbrambenim sistemima gde je potreban rok trajanja duži od 20 godina, visoka gustina energije i/ili tolerancija na ekstremne radne temperature.
1977 – Samar Basu demonstrirao je elektrohemijsku interkalaciju litijuma u grafit na Univerzitetu Pensilvanije.Ovo je dovelo do razvoja funkcionalne litijum interkalirane grafitne elektrode u Bell Labs (LiC6) kako bi se pružila alternativa bateriji litijum metalnih elektroda.
1979 – Radeći u odvojenim grupama, Ned A. Godshall i dr., i ubrzo nakon toga, John B. Goodenough (Oxford University) i Koichi Mizushima (Tokyo University), demonstrirali su punjivu litijumsku ćeliju sa naponom u opsegu od 4 V koristeći litijum kobalt dioksid (LiCoO2) kao pozitivna elektroda i metalni litijum kao negativna elektroda.Ova inovacija je obezbijedila materijal pozitivne elektrode koji je omogućio rane komercijalne litijumske baterije.LiCoO2 je stabilan materijal pozitivne elektrode koji djeluje kao donor litijum jona, što znači da se može koristiti sa negativnim materijalom elektrode koji nije metalni litij.Omogućavajući upotrebu stabilnih i lakih za rukovanje materijala negativnih elektroda, LiCoO2 je omogućio nove sisteme punjivih baterija.Godshall et al.dalje je identificirala sličnu vrijednost trojnih spojeva litijum-prijelaznih metal-oksida kao što su spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 i LiFe5O4 (i kasnije litijum-bakar-oksid i litijum-nikl-oksid katodni materijali) 1988.
1980 – Rachid Yazami demonstrirao je reverzibilnu elektrohemijsku interkalaciju litijuma u grafit, i izumeo litijum grafitnu elektrodu (anodu).Organski elektroliti koji su bili dostupni u to vrijeme bi se razgradili tijekom punjenja s grafitnom negativnom elektrodom.Yazami je koristio čvrsti elektrolit kako bi pokazao da se litijum može reverzibilno interkalirati u grafit putem elektrohemijskog mehanizma.Od 2011. Yazamijeva grafitna elektroda bila je najčešće korištena elektroda u komercijalnim litijum-jonskim baterijama.
Negativna elektroda vodi porijeklo od PAS-a (poliacenski poluprovodni materijal) koji je otkrio Tokio Yamabe, a kasnije Shjzukuni Yata početkom 1980-ih.Sjeme ove tehnologije bilo je otkriće provodljivih polimera od strane profesora Hidekija Shirakawe i njegove grupe, a također se moglo smatrati da je započela od poliacetilen litijum jonske baterije koju su razvili Alan MacDiarmid i Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.su nagrađeni američkim patentom 4,340,652 za ​​upotrebu LiCoO2 kao katode u litijumskim baterijama, na osnovu doktora nauka Godshallovog Univerziteta Stanford.disertacija i 1979 publikacija.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David i John Goodenough razvili su manganski spinel kao komercijalno relevantan materijal napunjene katode za litijum-jonske baterije.
1985 – Akira Yoshino sastavio je prototip ćelije koristeći ugljični materijal u koji su se mogli ubaciti litijum joni kao jedna elektroda, a litijum kobalt oksid (LiCoO2) kao druga.Ovo je dramatično poboljšalo sigurnost.LiCoO2 je omogućio industrijsku proizvodnju i omogućio komercijalnu litijum-jonsku bateriju.
1989 – Arumugam Manthiram i John B. Goodenough su otkrili polianion klasu katoda.Oni su pokazali da pozitivne elektrode koje sadrže polianione, npr. sulfate, proizvode veće napone od oksida zbog induktivnog efekta polianiona.Ova klasa polianiona sadrži materijale kao što je litijum gvožđe fosfat.

< nastavlja se...>