Литијум-јонска батерија или Ли-јонска батерија (скраћено ЛИБ) је врста пуњиве батерије.Литијум-јонске батерије се обично користе за преносиву електронику и електрична возила и постају све популарније у војним и ваздухопловним апликацијама.Прототип Ли-ион батерије је развио Акира Иосхино 1985. године, на основу ранијих истраживања Џона Гуденафа, М. Стенлија Витингема, Рашида Јазамија и Коичија Мизушиме током 1970-1980-их, а затим је комерцијалну Ли-јонску батерију развио Сони и Асахи Касеи тим предвођен Јошиом Нишијем 1991. Године 2019. Нобелову награду за хемију добили су Јошино, Гуденоу и Витингем „за развој литијум-јонских батерија“.

У батеријама, литијум јони се крећу од негативне електроде преко електролита до позитивне електроде током пражњења и назад при пуњењу.Ли-јонске батерије користе интеркалирано литијумско једињење као материјал на позитивној електроди и типично графит на негативној електроди.Батерије имају високу густину енергије, без ефекта меморије (осим ЛФП ћелија) и ниско самопражњење.Међутим, они могу представљати опасност по безбедност јер садрже запаљиве електролите, а ако су оштећени или неправилно напуњени могу довести до експлозије и пожара.Самсунг је био приморан да повуче телефоне Галаки Ноте 7 након литијум-јонских пожара, а било је и неколико инцидената који су укључивали батерије на Боеинг 787.

Карактеристике хемије, перформанси, цене и безбедности варирају међу типовима ЛИБ-а.Ручна електроника углавном користи литијум-полимерске батерије (са полимерним гелом као електролитом) са литијум-кобалт оксидом (ЛиЦоО2) као катодним материјалом, који нуди високу густину енергије, али представља безбедносне ризике, посебно када су оштећени.Литијум гвожђе фосфат (ЛиФеПО4), литијум манган оксид (ЛиМн2О4, Ли2МнО3 или ЛМО) и литијум никл манган кобалт оксид (ЛиНиМнЦоО2 или НМЦ) нуде нижу густину енергије, али дужи животни век и мању вероватноћу пожара или експлозије.Такве батерије се широко користе за електричне алате, медицинску опрему и друге улоге.НМЦ и његови деривати се широко користе у електричним возилима.

Области истраживања литијум-јонских батерија укључују продужење животног века, повећање густине енергије, побољшање безбедности, смањење трошкова и повећање брзине пуњења, између осталог.Истраживања су у току у области незапаљивих електролита као пута ка повећању безбедности на основу запаљивости и испарљивости органских растварача који се користе у типичном електролиту.Стратегије укључују водене литијум-јонске батерије, керамичке чврсте електролите, полимерне електролите, јонске течности и јако флуорисане системе.

Батерија наспрам ћелије

Ћелија је основна електрохемијска јединица која садржи електроде, сепаратор и електролит.

Батерија или батерија је скуп ћелија или склопова ћелија, са кућиштем, електричним прикључцима и евентуално електроником за контролу и заштиту.

Анодне и катодне електроде
За пуњиве ћелије, термин анода (или негативна електрода) означава електроду на којој се оксидација одвија током циклуса пражњења;друга електрода је катода (или позитивна електрода).Током циклуса пуњења, позитивна електрода постаје анода, а негативна електрода постаје катода.За већину литијум-јонских ћелија, литијум-оксидна електрода је позитивна електрода;за титанат литијум-јонске ћелије (ЛТО), литијум-оксидна електрода је негативна електрода.

Историја

Позадина

Варта литијум-јонска батерија, Музеј Аутовисион, Алтлуссхеим, Немачка
Литијумске батерије је предложио британски хемичар и супрималац Нобелове награде за хемију за 2019. М. Станлеи Вхиттингхам, сада на Универзитету Бингхамтон, док је радио за Еккон 1970-их.Витингем је користио титанијум(ИВ) сулфид и метал литијум као електроде.Међутим, ова пуњива литијумска батерија никада се не може учинити практичном.Титанијум дисулфид је био лош избор, пошто је морао да се синтетише у потпуно затвореним условима, а такође је био прилично скуп (~1.000 долара по килограму за сировину титанијум дисулфида 1970-их).Када је изложен ваздуху, титанијум дисулфид реагује и формира једињења водоник сулфида, која имају непријатан мирис и токсична су за већину животиња.Из овог и других разлога, Еккон је прекинуо развој Витингемове литијум-титан дисулфидне батерије.[28]Батерије са металним литијумским електродама представљале су безбедносне проблеме, пошто метални литијум реагује са водом, ослобађајући запаљиви водоник.Сходно томе, истраживање је кренуло ка развоју батерија у којима су, уместо металног литијума, присутна само једињења литијума, која су способна да прихвате и ослобађају литијум-јоне.

Реверзибилну интеркалацију у графиту и интеркалацију у катодне оксиде открио је ЈО Бесенхард у ТУ Минхену током 1974–76.Бесенхард је предложио његову примену у литијумским ћелијама.Распадање електролита и ко-интеркалација растварача у графит били су озбиљни рани недостаци за век трајања батерије.

Развој

1973 – Адам Хелер је предложио литијум-тионилхлоридну батерију, која се још увек користи у имплантираним медицинским уређајима иу одбрамбеним системима где је потребан век трајања дужи од 20 година, висока густина енергије и/или толеранција на екстремне радне температуре.
1977 – Самар Басу демонстрирао је електрохемијску интеркалацију литијума у ​​графит на Универзитету Пенсилваније.Ово је довело до развоја функционалне литијум интеркалиране графитне електроде у Белл Лабс (ЛиЦ6) како би се обезбедила алтернатива батерији литијум металних електрода.
1979 – Радећи у одвојеним групама, Нед А. Годсхалл и сарадници, и убрзо након тога, Џон Б. Гуденоу (Окфорд Университи) и Коицхи Мизусхима (Токио универзитет), демонстрирали су пуњиву литијумску ћелију са напоном у опсегу од 4 В користећи литијум кобалт диоксид (ЛиЦоО2) као позитивна електрода и метални литијум као негативна електрода.Ова иновација је обезбедила материјал позитивне електроде који је омогућио ране комерцијалне литијумске батерије.ЛиЦоО2 је стабилан материјал позитивне електроде који делује као донатор литијум јона, што значи да се може користити са негативним материјалом електроде који није метални литијум.Омогућавајући употребу стабилних и лаких за руковање материјала негативних електрода, ЛиЦоО2 је омогућио нове системе пуњивих батерија.Годсхалл и др.даље идентификовала сличну вредност тројних једињења литијум-прелазних метал-оксида као што су спинел ЛиМн2О4, Ли2МнО3, ЛиМнО2, ЛиФеО2, ЛиФе5О8 и ЛиФе5О4 (и касније литијум-бакар-оксид и литијум-никл-оксид катодни материјали) у 1985.
1980 – Рацхид Иазами демонстрирао је реверзибилну електрохемијску интеркалацију литијума у ​​графит и изумео литијум-графитну електроду (аноду).Органски електролити који су били доступни у то време би се разградили током пуњења са графитном негативном електродом.Иазами је користио чврст електролит да покаже да се литијум може реверзибилно интеркалирати у графит путем електрохемијског механизма.Од 2011. Иазамијева графитна електрода је била најчешће коришћена електрода у комерцијалним литијум-јонским батеријама.
Негативна електрода води порекло од ПАС-а (полиценичног полупроводног материјала) који је открио Токио Јамабе, а касније Схјзукуни Јата почетком 1980-их.Семе ове технологије било је откриће проводљивих полимера од стране професора Хидекија Ширакаве и његове групе, а такође се могло видети да је почело од полиацетилен литијум јонске батерије коју су развили Алан МацДиармид и Алан Ј. Хеегер ет ал.
1982 – Годсхалл ет ал.су награђени америчким патентом 4,340,652 за употребу ЛиЦоО2 као катоде у литијумским батеријама, на основу Годсхалловог доктора наука Универзитета Станфорд.дисертација и 1979 публикација.
1983 – Мицхаел М. Тхацкераи, Петер Бруце, Виллиам Давид и Јохн Гооденоугх развили су манганов спинел као комерцијално релевантан материјал напуњене катоде за литијум-јонске батерије.
1985 – Акира Јошино саставио је прототип ћелије користећи угљенични материјал у који су литијум јони могли да се убаце као једна електрода, а литијум кобалт оксид (ЛиЦоО2) као друга.Ово је драматично побољшало безбедност.ЛиЦоО2 је омогућио индустријску производњу и омогућио комерцијалну литијум-јонску батерију.
1989 – Арумугам Мантхирам и Јохн Б. Гооденоугх открили су полианион класу катода.Они су показали да позитивне електроде које садрже полианионе, нпр. сулфате, производе веће напоне од оксида због индуктивног ефекта полианиона.Ова класа полианиона садржи материјале као што је литијум гвожђе фосфат.

< наставиће се...>