Литиум-јонска батерија или литиум-јонска батерија (скратено како LIB) е тип на батерија на полнење.Литиум-јонските батерии најчесто се користат за пренослива електроника и електрични возила и се зголемуваат во популарност за воени и воздушни апликации.Прототип на литиум-јонска батерија беше развиен од Акира Јошино во 1985 година, врз основа на претходните истражувања на Џон Гуденау, М. Стенли Витингем, Рашид Јазами и Коичи Мизушима во текот на 1970-тите-1980-тите, а потоа беше развиена комерцијална ли-јонска батерија од страна на Тимот на Sony и Asahi Kasei предводен од Yoshio Nishi во 1991 година. Во 2019 година, Нобеловата награда за хемија им беше доделена на Yoshino, Goodenough и Whittingham „за развој на литиум-јонски батерии“.

Во батериите, јоните на литиум се движат од негативната електрода преку електролит до позитивната електрода за време на празнењето и назад при полнење.Литиум-јонските батерии користат интеркалирано соединение на литиум како материјал на позитивната електрода и типично графит на негативната електрода.Батериите имаат висока енергетска густина, немаат мемориски ефект (освен LFP ќелиите) и мало самопразнење.Сепак, тие можат да претставуваат опасност за безбедноста бидејќи содржат запаливи електролити, а доколку се оштетени или неправилно наполнети може да доведат до експлозии и пожари.Samsung беше принуден да ги повлече телефоните Galaxy Note 7 по пожарите на литиум-јони, а имаше неколку инциденти со батерии на Боинг 787.

Хемијата, перформансите, трошоците и безбедносните карактеристики се разликуваат од типот на LIB.Рачната електроника најчесто користи литиум полимерни батерии (со полимер гел како електролит) со литиум кобалт оксид (LiCoO2) како катоден материјал, кој нуди висока енергетска густина, но претставува безбедносни ризици, особено кога е оштетен.Литиум железо фосфат (LiFePO4), литиум манган оксид (LiMn2O4, Li2MnO3 или LMO) и литиум никел манган кобалт оксид (LiNiMnCoO2 или NMC) нудат помала енергетска густина, но подолг живот и помала веројатност за пожар или експлозија.Таквите батерии се широко користени за електрични алати, медицинска опрема и други улоги.NMC и неговите деривати се широко користени во електричните возила.

Истражувачките области за литиум-јонски батерии вклучуваат продолжување на животниот век, зголемување на густината на енергија, подобрување на безбедноста, намалување на трошоците и зголемување на брзината на полнење, меѓу другото.Во тек е истражување во областа на незапаливи електролити како пат кон зголемена безбедност врз основа на запаливоста и испарливоста на органските растворувачи што се користат во типичниот електролит.Стратегиите вклучуваат водени литиум-јонски батерии, керамички цврсти електролити, полимерни електролити, јонски течности и силно флуорирани системи.

Батерија наспроти ќелија

Ќелијата е основна електрохемиска единица која ги содржи електродите, сепараторот и електролитот.

Батеријата или батерискиот пакет е збир на ќелии или склопови на ќелии, со куќиште, електрични приклучоци и можеби електроника за контрола и заштита.

Анодни и катодни електроди
За ќелиите за полнење, терминот анода (или негативна електрода) ја означува електродата каде што се одвива оксидацијата за време на циклусот на празнење;другата електрода е катодата (или позитивната електрода).За време на циклусот на полнење, позитивната електрода станува анода, а негативната електрода станува катода.За повеќето литиум-јонски ќелии, електродата на литиум-оксид е позитивна електрода;за титанат литиум-јонски ќелии (LTO), електродата на литиум-оксид е негативна електрода.

Историја

Позадина

Varta литиум-јонска батерија, Музеј Автовизија, Алтлусхајм, Германија
Литиумските батерии беа предложени од британскиот хемичар и ко-примач на Нобеловата награда за хемија во 2019 година, М. Стенли Витингем, сега на Универзитетот Бингемтон, додека работеше за Ексон во 1970-тите.Витингем користел титаниум (IV) сулфид и литиум метал како електроди.Сепак, оваа литиумска батерија на полнење никогаш не може да се направи практична.Титаниум дисулфидот беше лош избор, бидејќи треба да се синтетизира под целосно затворени услови, исто така прилично скап (~ 1.000 долари за килограм за суровина од титаниум дисулфид во 1970-тите).Кога е изложен на воздух, титаниум дисулфидот реагира и формира соединенија на водород сулфид, кои имаат непријатен мирис и се токсични за повеќето животни.Поради оваа, и други причини, Ексон го прекина развојот на литиум-титаниум дисулфидната батерија на Витингем.[28]Батериите со метални литиумски електроди покажаа безбедносни проблеми, бидејќи литиум металот реагира со вода, ослободувајќи запалив водороден гас.Следствено, истражувањето се преселило за да се развијат батерии во кои, наместо метален литиум, се присутни само соединенија на литиум, кои се способни да прифаќаат и ослободуваат јони на литиум.

Реверзибилното интеркалирање во графитот и интеркалирањето во катодните оксиди било откриено во текот на 1974–76 година од Ј.О. Безенхард во ТУ Минхен.Безенхард ја предложи неговата примена во литиумските ќелии.Распаѓањето на електролитот и интеркалирањето на растворувачите во графит беа сериозни рани недостатоци за траењето на батеријата.

Развој

1973 - Адам Хелер ја предложи батеријата со литиум тионил хлорид, која сè уште се користи во имплантирани медицински уреди и во одбранбените системи каде што е потребен подолг рок на траење од 20 години, висока енергетска густина и/или толеранција за екстремни работни температури.
1977 - Самар Басу покажа електрохемиска интеркалација на литиум во графит на Универзитетот во Пенсилванија.Ова доведе до развој на обработлива графитна електрода со интеркалиран литиум во Bell Labs (LiC6) за да обезбеди алтернатива на батеријата со литиум метална електрода.
1979 - Работејќи во посебни групи, Нед А. Годшал и сор., и кратко потоа, Џон Б. Гуденау (Универзитет Оксфорд) и Коичи Мизушима (Универзитет во Токио), демонстрираа литиумска ќелија што може да се полни со напон во опсег од 4 V користејќи литиум кобалт диоксид (LiCoO2) како позитивна електрода и литиум метал како негативна електрода.Оваа иновација обезбеди материјал со позитивна електрода што овозможи рани комерцијални литиумски батерии.LiCoO2 е стабилен позитивна електрода материјал кој делува како донатор на литиум јони, што значи дека може да се користи со негативен електрода материјал различен од литиум метал.Со овозможување на употреба на стабилни и лесни за ракување материјали со негативни електроди, LiCoO2 овозможи нови системи на батерии за полнење.Годшал и сор.понатаму ја идентификуваше сличната вредност на тројните соединенија литиум-транзициони метали-оксиди како што се спинелските LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 и LiFe5O4 (и подоцна литиум-бакар-оксид и литиум-никел-оксид катодни материјали во 19)
1980 - Рашид Јазами ја демонстрираше реверзибилната електрохемиска интеркалација на литиумот во графитот и ја измисли електродата на литиум графит (анода).Органските електролити достапни во тоа време ќе се распаднат при полнење со графитна негативна електрода.Јазами користел цврст електролит за да покаже дека литиумот може реверзибилно да се меша во графитот преку електрохемиски механизам.Од 2011 година, графитната електрода на Јазами беше најчесто користената електрода во комерцијалните литиум-јонски батерии.
Негативната електрода потекнува од PAS (полиаценички полупроводнички материјал) откриен од Токио Јамабе, а подоцна и од Шјзукуни Јата во раните 1980-ти.Семето на оваа технологија беше откривањето на спроводливи полимери од страна на професорот Хидеки Ширакава и неговата група, а исто така може да се види дека започнала од полиацетиленската литиум-јонска батерија развиена од Алан МекДиармид и Алан Ј. Хегер и сор.
1982 – Годшал и сор.беа доделени американски патент 4.340.652 за употреба на LiCoO2 како катоди во литиумски батерии, врз основа на докторат на Godshall на Универзитетот Стенфорд.дисертација и публикации од 1979 година.
1983 година - Мајкл М. Такери, Питер Брус, Вилијам Дејвид и Џон Гуденау развија мангански спинел како комерцијално релевантен наполнет катоден материјал за литиум-јонски батерии.
1985 - Акира Јошино состави прототип на ќелија користејќи јаглероден материјал во кој јоните на литиум можеа да се вметнат како една електрода и литиум кобалт оксид (LiCoO2) како друга.Ова драматично ја подобри безбедноста.LiCoO2 овозможи производство во индустриски размери и ја овозможи комерцијалната литиум-јонска батерија.
1989 - Арумугам Мантирам и Џон Б. Гуденаф ја открија класата на катоди на полианион.Тие покажаа дека позитивните електроди кои содржат полианиони, на пример, сулфати, произведуваат повисоки напони од оксидите поради индуктивниот ефект на полианионот.Оваа класа на полианиони содржи материјали како што е литиум железо фосфат.

<да продолжи...>