Batterija tal-jone tal-litju jew batterija tal-jone tal-litju (abbrevjata bħala LIB) hija tip ta 'batterija rikarikabbli.Batteriji tal-jone tal-litju huma komunement użati għall-elettronika portabbli u vetturi elettriċi u qed jikbru fil-popolarità għall-applikazzjonijiet militari u aerospazjali.Batterija Li-ion prototip ġiet żviluppata minn Akira Yoshino fl-1985, ibbażata fuq riċerka preċedenti minn John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami u Koichi Mizushima matul is-snin 1970-1980, u mbagħad batterija Li-ion kummerċjali ġiet żviluppata minn a. It-tim ta 'Sony u Asahi Kasei immexxi minn Yoshio Nishi fl-1991. Fl-2019, Il-Premju Nobel fil-Kimika ingħata lil Yoshino, Goodenough, u Whittingham "għall-iżvilupp ta' batteriji tal-jone tal-litju".

Fil-batteriji, joni tal-litju jimxu mill-elettrodu negattiv permezz ta 'elettrolit għall-elettrodu pożittiv waqt l-iskarigu, u lura meta jiċċarġja.Il-batteriji tal-jone tal-litju jużaw kompost tal-litju interkalat bħala l-materjal fl-elettrodu pożittiv u tipikament grafita fl-elettrodu negattiv.Il-batteriji għandhom densità għolja ta 'enerġija, l-ebda effett ta' memorja (minbarra ċelloli LFP) u awto-kwittanza baxxa.Madankollu jistgħu jkunu ta' periklu għas-sigurtà peress li fihom elettroliti li jaqbdu, u jekk ikunu mħassra jew iċċarġjati ħażin jistgħu jwasslu għal splużjonijiet u nirien.Samsung kienet sfurzata li tfakkar is-settijiet tal-idejn Galaxy Note 7 wara nirien tal-jone tal-litju, u kien hemm diversi inċidenti li jinvolvu batteriji fuq Boeing 787s.

Il-karatteristiċi tal-kimika, il-prestazzjoni, l-ispiża u s-sikurezza jvarjaw bejn it-tipi ta 'LIB.L-elettronika li tinżamm fl-idejn l-aktar tuża batteriji tal-polimeru tal-litju (b'ġel tal-polimeru bħala elettrolit) b'ossidu tal-kobalt tal-litju (LiCoO2) bħala materjal tal-katodu, li joffri densità għolja ta 'enerġija, iżda jippreżenta riskji ta' sigurtà, speċjalment meta jkun bil-ħsara.Il-fosfat tal-ħadid tal-litju (LiFePO4), l-ossidu tal-manganiż tal-litju (LiMn2O4, Li2MnO3, jew LMO), u l-ossidu tal-kobalt tal-manganiż tan-nikil tal-litju (LiNiMnCoO2 jew NMC) joffru densità ta 'enerġija aktar baxxa iżda ħajjiet itwal u inqas probabbiltà ta' nar jew splużjoni.Tali batteriji jintużaw ħafna għal għodod elettriċi, tagħmir mediku, u rwoli oħra.L-NMC u d-derivattivi tiegħu jintużaw ħafna f'vetturi elettriċi.

L-oqsma ta 'riċerka għall-batteriji tal-jone tal-litju jinkludu l-estensjoni tal-ħajja, iż-żieda tad-densità tal-enerġija, it-titjib tas-sikurezza, it-tnaqqis tal-ispiża u ż-żieda fil-veloċità tal-iċċarġjar, fost oħrajn.Kienet għaddejja riċerka fil-qasam tal-elettroliti li ma jaqbdux bħala triq għal aktar sigurtà bbażata fuq il-fjammabbiltà u l-volatilità tas-solventi organiċi użati fl-elettrolit tipiku.L-istrateġiji jinkludu batteriji tal-jone tal-litju milwiema, elettroliti solidi taċ-ċeramika, elettroliti polimeri, likwidi joniċi, u sistemi fluworinati ħafna.

Batterija kontra ċellola

Ċellula hija unità elettrokimika bażika li fiha l-elettrodi, is-separatur u l-elettrolit.

Batteriji jew pakkett ta 'batteriji huwa ġabra ta' ċelloli jew assemblaġġi ta 'ċelloli, b'akkomodazzjoni, konnessjonijiet elettriċi, u possibilment elettronika għall-kontroll u l-protezzjoni.

Elettrodi anodi u katodi
Għal ċelloli rikarikabbli, it-terminu anodu (jew elettrodu negattiv) jindika l-elettrodu fejn qed isseħħ l-ossidazzjoni matul iċ-ċiklu tal-iskarigu;l-elettrodu l-ieħor huwa l-katodu (jew elettrodu pożittiv).Matul iċ-ċiklu ta 'ċarġ, l-elettrodu pożittiv isir l-anodu u l-elettrodu negattiv isir il-katodu.Għall-biċċa l-kbira taċ-ċelloli tal-jone tal-litju, l-elettrodu tal-ossidu tal-litju huwa l-elettrodu pożittiv;għal ċelluli tal-jone tal-litju tat-titanat (LTO), l-elettrodu tal-ossidu tal-litju huwa l-elettrodu negattiv.

Storja

Sfond

Batterija tal-jone tal-litju Varta, Museum Autovision, Altlussheim, il-Ġermanja
Il-batteriji tal-litju ġew proposti mill-kimiku Brittaniku u ko-riċevitur tal-premju Nobel 2019 għall-kimika M. Stanley Whittingham, issa fl-Università ta 'Binghamton, waqt li kien jaħdem għal Exxon fis-snin sebgħin.Whittingham uża sulfide tat-titanju (IV) u metall tal-litju bħala l-elettrodi.Madankollu, din il-batterija tal-litju rikarikabbli qatt ma setgħet issir prattika.Id-disulfid tat-titanju kien għażla fqira, peress li jrid jiġi sintetizzat taħt kundizzjonijiet kompletament issiġillati, u huwa wkoll pjuttost għoli (~ $1,000 għal kull kilogramma għal materja prima tad-disulfid tat-titanju fl-1970).Meta espost għall-arja, id-disulfid tat-titanju jirreaġixxi biex jifforma komposti ta 'sulfid ta' l-idroġenu, li għandhom riħa spjaċevoli u huma tossiċi għall-biċċa l-kbira ta 'l-annimali.Għal dan, u raġunijiet oħra, Exxon waqqaf l-iżvilupp tal-batterija tad-disulfid tal-litju-titanju ta' Whittingham.[28]Batteriji b'elettrodi tal-litju metalliċi ppreżentaw kwistjonijiet ta 'sikurezza, peress li l-metall tal-litju jirreaġixxi mal-ilma, u jirrilaxxa gass tal-idroġenu li jaqbad.Konsegwentement, ir-riċerka mxiet biex tiżviluppa batteriji li fihom, minflok litju metalliku, komposti tal-litju biss huma preżenti, li kapaċi jaċċettaw u jirrilaxxaw joni tal-litju.

Interkalazzjoni riversibbli fil-grafita u interkalazzjoni f'ossidi katodiċi ġiet skoperta matul l-1974–76 minn JO Besenhard fit-TU Munich.Besenhard ippropona l-applikazzjoni tiegħu fiċ-ċelloli tal-litju.Id-dekompożizzjoni tal-elettroliti u l-ko-interkalazzjoni tas-solvent fil-grafita kienu żvantaġġi severi bikrija għall-ħajja tal-batterija.

Żvilupp

1973 - Adam Heller ippropona l-batterija tal-litju thionyl chloride, li għadha tintuża f'apparat mediku impjantat u f'sistemi ta 'difiża fejn huma meħtieġa ħajja fuq l-ixkaffa ta' aktar minn 20 sena, densità għolja ta 'enerġija, u/jew tolleranza għal temperaturi operattivi estremi.
1977 - Samar Basu wera interkalazzjoni elettrokimika tal-litju fil-grafita fl-Università ta 'Pennsylvania.Dan wassal għall-iżvilupp ta 'elettrodu tal-grafita intercalated tal-litju li jaħdem fil-Labs Bell (LiC6) biex jipprovdi alternattiva għall-batterija tal-elettrodu tal-metall tal-litju.
1979 - Ħidma fi gruppi separati, Ned A. Godshall et al., u, ftit wara, John B. Goodenough (Università ta 'Oxford) u Koichi Mizushima (Università ta' Tokyo), wrew ċellula tal-litju rikarikabbli b'vultaġġ fil-medda ta '4 V bl-użu tal-litju. dijossidu tal-kobalt (LiCoO2) bħala l-elettrodu pożittiv u metall tal-litju bħala l-elettrodu negattiv.Din l-innovazzjoni pprovdiet il-materjal ta 'elettrodu pożittiv li ppermetta batteriji tal-litju kummerċjali bikrija.LiCoO2 huwa materjal ta 'elettrodu pożittiv stabbli li jaġixxi bħala donatur ta' joni tal-litju, li jfisser li jista 'jintuża ma' materjal ta 'elettrodu negattiv minbarra metall tal-litju.Billi ppermettiet l-użu ta 'materjali ta' elettrodi negattivi stabbli u faċli biex jimmaniġġaw, LiCoO2 ippermetta sistemi ġodda ta 'batteriji rikarikabbli.Godshall et al.identifika aktar il-valur simili ta 'ossidi tal-metall ta' tranżizzjoni tal-litju kompost ternarju bħall-ispinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, u LiFe5O4 (u aktar tard materjali tal-litju-ram-ossidu u tal-litju-nikil-ossidu katodu f'1985)
1980 - Rachid Yazami wera l-interkalazzjoni elettrokimika riversibbli tal-litju fil-grafita, u vvinta l-elettrodu tal-grafita tal-litju (anodu).L-elettroliti organiċi disponibbli f'dak iż-żmien jiddekomponu waqt l-iċċarġjar b'elettrodu negattiv tal-grafita.Yazami uża elettrolit solidu biex juri li l-litju jista 'jiġi interkalat b'mod riversibbli fil-grafita permezz ta' mekkaniżmu elettrokimiku.Mill-2011, l-elettrodu tal-grafita ta 'Yazami kien l-elettrodu l-aktar użat komunement fil-batteriji tal-jone tal-litju kummerċjali.
L-elettrodu negattiv għandu l-oriġini tiegħu fil-PAS (materjal semikonduttiv polyacenic) skopert minn Tokio Yamabe u aktar tard minn Shjzukuni Yata fil-bidu tas-snin tmenin.Iż-żerriegħa ta 'din it-teknoloġija kienet l-iskoperta ta' polimeri konduttivi mill-Professur Hideki Shirakawa u l-grupp tiegħu, u setgħet titqies ukoll li bdiet mill-batterija tal-jone tal-litju polyacetylene żviluppata minn Alan MacDiarmid u Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.ingħataw il-Privattiva Amerikana 4,340,652 għall-użu ta 'LiCoO2 bħala katodi f'batteriji tal-litju, ibbażata fuq il-Ph.D ta' l-Università ta 'Stanford ta' Godshall.dissertazzjoni u pubblikazzjonijiet tal-1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, u John Goodenough żviluppaw spinel tal-manganiż bħala materjal tal-katodu ċċarġjat kummerċjalment rilevanti għal batteriji tal-jone tal-litju.
1985 - Akira Yoshino mmunta ċellula prototip bl-użu ta 'materjal karboniku li fih setgħu jiddaħħlu joni tal-litju bħala elettrodu wieħed, u ossidu tal-kobalt tal-litju (LiCoO2) bħala l-ieħor.Dan tejjeb b'mod drammatiku s-sigurtà.LiCoO2 ippermetta produzzjoni fuq skala industrijali u ppermetta l-batterija tal-jone tal-litju kummerċjali.
1989 - Arumugam Manthiram u John B. Goodenough skoprew il-klassi polyanion tal-katodi.Huma wrew li elettrodi pożittivi li fihom polyanions, eż, sulfati, jipproduċu vultaġġi ogħla minn ossidi minħabba l-effett induttiv tal-polyanion.Din il-klassi polyanion fiha materjali bħall-fosfat tal-ħadid tal-litju.

< ikompli...>