Lítium-iónová batéria alebo lítium-iónová batéria (skrátene LIB) je typ nabíjateľnej batérie.Lítium-iónové batérie sa bežne používajú pre prenosnú elektroniku a elektrické vozidlá a ich popularita rastie vo vojenských a leteckých aplikáciách.Prototyp lítium-iónovej batérie vyvinul Akira Yoshino v roku 1985 na základe skoršieho výskumu Johna Goodenougha, M. Stanleyho Whittinghama, Rachida Yazamiho a Koichiho Mizushimu počas 70. – 80. rokov 20. storočia a potom vyvinul komerčnú lítium-iónovú batériu Tím Sony a Asahi Kasei pod vedením Yoshia Nishiho v roku 1991. V roku 2019 bola udelená Nobelova cena za chémiu Yoshinovi, Goodenoughovi a Whittinghamovi „za vývoj lítium-iónových batérií“.

V batériách sa lítiové ióny pohybujú od zápornej elektródy cez elektrolyt ku kladnej elektróde počas vybíjania a späť pri nabíjaní.Lítium-iónové batérie používajú ako materiál na kladnej elektróde interkalovanú lítiovú zlúčeninu a na zápornej elektróde zvyčajne grafit.Batérie majú vysokú hustotu energie, žiadny pamäťový efekt (okrem článkov LFP) a nízke samovybíjanie.Môžu však predstavovať bezpečnostné riziko, pretože obsahujú horľavé elektrolyty a ak sú poškodené alebo nesprávne nabité, môžu viesť k výbuchom a požiarom.Spoločnosť Samsung bola nútená stiahnuť telefóny Galaxy Note 7 po lítium-iónových požiaroch a došlo k niekoľkým incidentom s batériami na Boeingoch 787.

Chemické vlastnosti, výkon, náklady a bezpečnostné charakteristiky sa líšia medzi typmi LIB.Ručná elektronika väčšinou používa lítium-polymérové ​​batérie (s polymérnym gélom ako elektrolytom) s oxidom kobaltnatým lítnym (LiCoO2) ako katódovým materiálom, ktorý ponúka vysokú hustotu energie, ale predstavuje bezpečnostné riziko, najmä ak je poškodený.Fosforečnan lítno-železitý (LiFePO4), oxid lítno-mangánový (LiMn2O4, Li2MnO3 alebo LMO) a oxid lítno-nikel-mangán-kobaltnatý (LiNiMnCoO2 alebo NMC) ponúkajú nižšiu hustotu energie, no dlhšiu životnosť a menšiu pravdepodobnosť požiaru alebo výbuchu.Takéto batérie sa široko používajú pre elektrické náradie, lekárske vybavenie a iné úlohy.NMC a jej deriváty sú široko používané v elektrických vozidlách.

Medzi oblasti výskumu lítium-iónových batérií patrí okrem iného predĺženie životnosti, zvýšenie hustoty energie, zlepšenie bezpečnosti, zníženie nákladov a zvýšenie rýchlosti nabíjania.Prebieha výskum v oblasti nehorľavých elektrolytov ako cesty k zvýšeniu bezpečnosti založenej na horľavosti a prchavosti organických rozpúšťadiel používaných v typickom elektrolyte.Stratégie zahŕňajú vodné lítium-iónové batérie, keramické pevné elektrolyty, polymérne elektrolyty, iónové kvapaliny a silne fluórované systémy.

Batéria verzus článok

Článok je základná elektrochemická jednotka, ktorá obsahuje elektródy, separátor a elektrolyt.

Batéria alebo súprava batérií je súbor článkov alebo zostáv článkov s krytom, elektrickými spojmi a prípadne elektronikou na ovládanie a ochranu.

Anódové a katódové elektródy
Pre dobíjateľné články termín anóda (alebo záporná elektróda) ​​označuje elektródu, na ktorej prebieha oxidácia počas vybíjacieho cyklu;druhá elektróda je katóda (alebo kladná elektróda).Počas nabíjacieho cyklu sa kladná elektróda stáva anódou a záporná elektróda katódou.Pre väčšinu lítium-iónových článkov je kladnou elektródou lítium-oxidová elektróda;pre titanátové lítium-iónové články (LTO) je lítium-oxidová elektróda zápornou elektródou.

História

Pozadie

Lítium-iónová batéria Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Nemecko
Lítiové batérie navrhol britský chemik a spolupríjemca Nobelovej ceny za chémiu za rok 2019 M. Stanley Whittingham, teraz na Binghamtonskej univerzite, keď v 70. rokoch pracoval pre Exxon.Whittingham použil ako elektródy sulfid titánu (IV) a kovové lítium.Táto nabíjateľná lítiová batéria však nikdy nemohla byť praktická.Disulfid titánu bol zlou voľbou, pretože sa musí syntetizovať v úplne uzavretých podmienkach, čo je tiež dosť drahé (~ 1 000 USD za kilogram za surovinu disulfidu titánu v 70. rokoch).Pri vystavení vzduchu disulfid titánu reaguje za vzniku zlúčenín sírovodíka, ktoré nepríjemne zapáchajú a sú toxické pre väčšinu zvierat.Z tohto a iných dôvodov Exxon prerušil vývoj Whittinghamskej lítium-titániumdisulfidovej batérie.[28]Batérie s kovovými lítiovými elektródami predstavovali bezpečnostné problémy, pretože lítium reaguje s vodou a uvoľňuje horľavý vodíkový plyn.V dôsledku toho sa výskum presunul na vývoj batérií, v ktorých sú namiesto kovového lítia prítomné iba zlúčeniny lítia, ktoré sú schopné prijímať a uvoľňovať ióny lítia.

Reverzibilnú interkaláciu v grafite a interkaláciu do katódových oxidov objavil v rokoch 1974–76 JO Besenhard na TU Mníchov.Besenhard navrhol jeho aplikáciu v lítiových článkoch.Rozklad elektrolytu a kointerkalácia rozpúšťadla na grafit boli vážnymi skorými nevýhodami životnosti batérie.

rozvoj

1973 – Adam Heller navrhol lítium-tionylchloridovú batériu, ktorá sa stále používa v implantovaných zdravotníckych zariadeniach a v obranných systémoch, kde sa vyžaduje viac ako 20-ročná skladovateľnosť, vysoká hustota energie a/alebo tolerancia voči extrémnym prevádzkovým teplotám.
1977 – Samar Basu demonštroval elektrochemickú interkaláciu lítia v grafite na University of Pennsylvania.To viedlo k vývoju funkčnej lítium interkalovanej grafitovej elektródy v Bell Labs (LiC6), ktorá poskytla alternatívu k lítiovej kovovej elektródovej batérii.
1979 – Ned A. Godshall a kol. a krátko nato John B. Goodenough (Oxfordská univerzita) a Koichi Mizushima (Tokijská univerzita) v samostatných skupinách demonštrovali nabíjateľný lítiový článok s napätím v rozsahu 4 V pomocou lítia. oxid kobaltnatý (LiCoO2) ako kladná elektróda a kovové lítium ako záporná elektróda.Táto inovácia poskytla materiál kladnej elektródy, ktorý umožnil skoré komerčné lítiové batérie.LiCoO2 je stabilný materiál kladnej elektródy, ktorý pôsobí ako donor lítiových iónov, čo znamená, že môže byť použitý s materiálom zápornej elektródy iným ako je lítium.Umožnením použitia stabilných a ľahko manipulovateľných materiálov záporných elektród umožnil LiCoO2 nové systémy dobíjacích batérií.Godshall a spol.ďalej identifikovali podobnú hodnotu ternárnych zlúčenín lítium-prechodných kovov-oxidov, ako je spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 a LiFe5O4 (a neskôr katódové materiály lítium-meď-oxid a lítium-nikel-oxid v roku 1985)
1980 – Rachid Yazami demonštroval reverzibilnú elektrochemickú interkaláciu lítia v grafite a vynašiel lítiumgrafitovú elektródu (anódu).Organické elektrolyty dostupné v tom čase by sa počas nabíjania grafitovou negatívnou elektródou rozložili.Yazami použil pevný elektrolyt, aby demonštroval, že lítium môže byť reverzibilne vložené do grafitu prostredníctvom elektrochemického mechanizmu.Od roku 2011 bola grafitová elektróda Yazami najčastejšie používanou elektródou v komerčných lítium-iónových batériách.
Záporná elektróda má svoj pôvod v PAS (polyacenický polovodivý materiál), ktorý objavil Tokio Yamabe a neskôr Shjzukuni Yata na začiatku 80. rokov.Zárodkom tejto technológie bol objav vodivých polymérov profesorom Hideki Shirakawom a jeho skupinou a možno to považovať aj za začiatok z polyacetylénovej lítium-iónovej batérie vyvinutej Alanom MacDiarmidom a Alanom J. Heegerom a kol.
1982 – Godshall a spol.získali americký patent 4 340 652 za ​​použitie LiCoO2 ako katód v lítiových batériách, na základe doktorátu Godshallovej Stanfordskej univerzity Ph.D.dizertačnej práce a publikácií z roku 1979.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David a John Goodenough vyvinuli mangánový spinel ako komerčne relevantný materiál nabitej katódy pre lítium-iónové batérie.
1985 – Akira Yoshino zostavil prototyp článku s použitím uhlíkatého materiálu, do ktorého bolo možné vložiť ióny lítia ako jednu elektródu a oxid lítno-kobaltnatý (LiCoO2) ako druhú.To dramaticky zlepšilo bezpečnosť.LiCoO2 umožnil výrobu v priemyselnom meradle a umožnil komerčnú lítium-iónovú batériu.
1989 – Arumugam Manthiram a John B. Goodenough objavili polyaniónovú triedu katód.Ukázali, že kladné elektródy obsahujúce polyanióny, napr. sírany, produkujú vyššie napätie ako oxidy v dôsledku indukčného účinku polyaniónu.Táto trieda polyaniónov obsahuje materiály ako fosforečnan lítno-železitý.

< pokračovanie...>