Litij-ionska baterija ili Li-ion baterija (skraćeno LIB) je vrsta punjive baterije.Litij-ionske baterije se obično koriste za prijenosnu elektroniku i električna vozila i sve su sve popularnije za vojnu i zrakoplovnu primjenu.Prototip Li-ion baterije razvio je Akira Yoshino 1985., na temelju ranijih istraživanja Johna Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama, Rachida Yazamija i Koichija Mizushima tijekom 1970-ih – 1980-ih, a zatim je komercijalnu Li-ion bateriju razvio Sony i Asahi Kasei tim predvođen Yoshiom Nishijem 1991. Godine 2019. Nobelovu nagradu za kemiju dobili su Yoshino, Goodenough i Whittingham “za razvoj litij-ionskih baterija”.

U baterijama se litijevi ioni kreću od negativne elektrode kroz elektrolit do pozitivne elektrode tijekom pražnjenja i natrag tijekom punjenja.Li-ionske baterije koriste interkalirani litijev spoj kao materijal na pozitivnoj elektrodi i tipično grafit na negativnoj elektrodi.Baterije imaju visoku gustoću energije, bez efekta memorije (osim LFP ćelija) i nisko samopražnjenje.Međutim, mogu predstavljati opasnost za sigurnost jer sadrže zapaljive elektrolite, a ako su oštećeni ili nepravilno napunjeni mogu dovesti do eksplozije i požara.Samsung je bio prisiljen povući telefone Galaxy Note 7 nakon litij-ionskih požara, a bilo je i nekoliko incidenata koji su uključivali baterije na Boeing 787.

Karakteristike kemije, performansi, cijene i sigurnosti razlikuju se među tipovima LIB-a.Ručna elektronika uglavnom koristi litij-polimerske baterije (s polimernim gelom kao elektrolitom) s litij kobalt oksidom (LiCoO2) kao katodnim materijalom, koji nudi visoku gustoću energije, ali predstavlja sigurnosne rizike, osobito kada su oštećeni.Litij-željezni fosfat (LiFePO4), litij-mangan-oksid (LiMn2O4, Li2MnO3 ili LMO) i litij-nikl-mangan-kobalt oksid (LiNiMnCoO2 ili NMC) nude nižu gustoću energije, ali duži životni vijek i manju vjerojatnost požara ili eksplozije.Takve se baterije naširoko koriste za električne alate, medicinsku opremu i druge uloge.NMC i njegovi derivati ​​naširoko se koriste u električnim vozilima.

Područja istraživanja litij-ionskih baterija uključuju produljenje životnog vijeka, povećanje gustoće energije, poboljšanje sigurnosti, smanjenje troškova i povećanje brzine punjenja, među ostalim.Istraživanja su u tijeku u području nezapaljivih elektrolita kao puta do povećane sigurnosti na temelju zapaljivosti i hlapljivosti organskih otapala korištenih u tipičnom elektrolitu.Strategije uključuju vodene litij-ionske baterije, keramičke čvrste elektrolite, polimerne elektrolite, ionske tekućine i jako fluorirane sustave.

Baterija naspram ćelije

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

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

Anodne i katodne elektrode
Za punjive ćelije, izraz anoda (ili negativna elektroda) označava elektrodu na kojoj se oksidacija odvija tijekom ciklusa pražnjenja;druga elektroda je katoda (ili pozitivna elektroda).Tijekom ciklusa punjenja, pozitivna elektroda postaje anoda, a negativna elektroda katoda.Za većinu litij-ionskih ćelija, litij-oksidna elektroda je pozitivna elektroda;za titanatne litij-ionske ćelije (LTO), litij-oksidna elektroda je negativna elektroda.

Povijest

Pozadina

Varta litij-ionska baterija, Muzej Autovision, Altlussheim, Njemačka
Litijeve baterije predložio je britanski kemičar i suprimatelj Nobelove nagrade za kemiju 2019. M. Stanley Whittingham, sada na Sveučilištu Binghamton, dok je radio za Exxon 1970-ih.Whittingham je koristio titan (IV) sulfid i metal litij kao elektrode.Međutim, ova punjiva litijska baterija nikada nije mogla biti praktična.Titanijev disulfid je bio loš izbor, budući da se mora sintetizirati u potpuno zatvorenim uvjetima, a također je bio prilično skup (~1000 dolara po kilogramu za sirovinu titanovog disulfida 1970-ih).Kada je izložen zraku, titanov disulfid reagira stvarajući spojeve sumporovodika, koji imaju neugodan miris i otrovni su za većinu životinja.Iz tog i drugih razloga, Exxon je prekinuo razvoj Whittinghamove litij-titan disulfidne baterije.[28]Baterije s metalnim litij elektrodama predstavljale su sigurnosne probleme, jer metalni litij reagira s vodom, oslobađajući zapaljivi plin vodik.Posljedično, istraživanja su krenula u razvoj baterija u kojima su, umjesto metalnog litija, prisutni samo litijevi spojevi, koji su sposobni prihvatiti i otpustiti litijeve ione.

Reverzibilnu interkalaciju u grafitu i interkalaciju u katodne okside otkrio je tijekom 1974-76 JO Besenhard na TU Münchenu.Besenhard je predložio njegovu primjenu u litijevim stanicama.Razgradnja elektrolita i ko-interkalacija otapala u grafit bili su ozbiljni rani nedostaci za vijek trajanja baterije.

Razvoj

1973. – Adam Heller je predložio litij-tionil kloridnu bateriju, koja se još uvijek koristi u implantiranim medicinskim uređajima iu obrambenim sustavima gdje je potreban rok trajanja duži od 20 godina, visoka gustoća energije i/ili tolerancija na ekstremne radne temperature.
1977 – Samar Basu demonstrirao je elektrokemijsku interkalaciju litija u grafit na Sveučilištu Pennsylvania.To je dovelo do razvoja obradive litij interkalirane grafitne elektrode u Bell Labsu (LiC6) kako bi se osigurala alternativa bateriji litij metalnih elektroda.
1979. – Radeći u odvojenim grupama, Ned A. Godshall i dr., i ubrzo nakon toga, John B. Goodenough (Sveučilište Oxford) i Koichi Mizushima (Tokyo University), demonstrirali su punjivu litijsku ćeliju s naponom u rasponu od 4 V koristeći litij kobaltov dioksid (LiCoO2) kao pozitivna elektroda i metalni litij kao negativna elektroda.Ova inovacija dala je materijal pozitivne elektrode koji je omogućio rane komercijalne litijeve baterije.LiCoO2 je stabilan materijal pozitivne elektrode koji djeluje kao donor litijevih iona, što znači da se može koristiti s negativnim materijalom elektrode koji nije metalni litij.Omogućujući korištenje stabilnih i lakih za rukovanje materijala negativnih elektroda, LiCoO2 je omogućio nove sustave punjivih baterija.Godshall i sur.nadalje identificirala sličnu vrijednost trojnih spojeva litij-prijelaznih metal-oksida kao što su spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 i LiFe5O4 (i kasnije litij-bakar-oksid i litij-nikl-oksid katodni materijali) u 1988.
1980. – Rachid Yazami demonstrirao je reverzibilnu elektrokemijsku interkalaciju litija u grafit i izumio litij grafitnu elektrodu (anodu).Organski elektroliti dostupni u to vrijeme bi se razgradili tijekom punjenja s grafitnom negativnom elektrodom.Yazami je upotrijebio čvrsti elektrolit kako bi pokazao da se litij može reverzibilno interkalirati u grafit putem elektrokemijskog mehanizma.Od 2011. Yazamijeva grafitna elektroda bila je najčešće korištena elektroda u komercijalnim litij-ionskim baterijama.
Negativna elektroda potječe od PAS-a (poliacenski poluvodljivi materijal) koji je otkrio Tokio Yamabe i kasnije Shjzukuni Yata početkom 1980-ih.Sjeme ove tehnologije bilo je otkriće vodljivih polimera od strane profesora Hidekija Shirakawe i njegove grupe, a također se moglo vidjeti da je započela s poliacetilen litij ionskom baterijom koju su razvili Alan MacDiarmid i Alan J. Heeger i sur.
1982. – Godshall i sur.nagrađeni su američkim patentom 4,340,652 za ​​korištenje LiCoO2 kao katode u litij baterijama, na temelju Godshallovog doktora znanosti na Sveučilištu Stanford.disertaciju i 1979 publikacija.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David i John Goodenough razvili su manganov spinel kao komercijalno relevantan materijal napunjene katode za litij-ionske baterije.
1985. – Akira Yoshino sastavio je prototip ćelije koristeći ugljični materijal u koji su se mogli umetnuti litijevi ioni kao jedna elektroda, a litij kobalt oksid (LiCoO2) kao druga.To je dramatično poboljšalo sigurnost.LiCoO2 je omogućio industrijsku proizvodnju i komercijalnu litij-ionsku bateriju.
1989. – Arumugam Manthiram i John B. Goodenough otkrili su polianionsku klasu katoda.Pokazali su da pozitivne elektrode koje sadrže polianione, npr. sulfate, proizvode veće napone od oksida zbog induktivnog učinka polianiona.Ova klasa polianiona sadrži materijale kao što je litij-željezo-fosfat.

< nastavak...>