O baterie litiu-ion sau o baterie Li-ion (abreviată ca LIB) este un tip de baterie reîncărcabilă.Bateriile cu litiu-ion sunt utilizate în mod obișnuit pentru electronice portabile și vehicule electrice și sunt în creștere în popularitate pentru aplicații militare și aerospațiale.Un prototip de baterie Li-ion a fost dezvoltat de Akira Yoshino în 1985, pe baza cercetărilor anterioare ale lui John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami și Koichi Mizushima în anii 1970-1980, iar apoi o baterie Li-ion comercială a fost dezvoltată de un Echipa Sony și Asahi Kasei condusă de Yoshio Nishi în 1991. În 2019, Premiul Nobel pentru Chimie a fost acordat lui Yoshino, Goodenough și Whittingham „pentru dezvoltarea bateriilor litiu-ion”.

În baterii, ionii de litiu se deplasează de la electrodul negativ printr-un electrolit la electrodul pozitiv în timpul descărcării și înapoi la încărcare.Bateriile Li-ion folosesc un compus de litiu intercalat ca material la electrodul pozitiv și de obicei grafit la electrodul negativ.Bateriile au o densitate mare de energie, fără efect de memorie (altele decât celulele LFP) și auto-descărcare scăzută.Totuși, ele pot reprezenta un pericol pentru siguranță, deoarece conțin electroliți inflamabili și, dacă sunt deteriorate sau încărcate incorect, pot duce la explozii și incendii.Samsung a fost forțat să recheme telefoanele Galaxy Note 7 în urma incendiilor cu litiu-ion și au avut loc mai multe incidente care au implicat bateriile Boeing 787.

Chimia, performanța, costul și caracteristicile de siguranță variază în funcție de tipurile de LIB.Electronicele portabile folosesc în mare parte baterii cu polimer de litiu (cu un gel polimeric ca electrolit) cu oxid de litiu cobalt (LiCoO2) ca material catod, care oferă o densitate mare de energie, dar prezintă riscuri de siguranță, mai ales atunci când sunt deteriorate.Fosfatul de fier litiu (LiFePO4), oxidul de litiu mangan (LiMn2O4, Li2MnO3 sau LMO) și oxidul de litiu nichel mangan cobalt (LiNiMnCoO2 sau NMC) oferă o densitate energetică mai mică, dar o viață mai lungă și o probabilitate mai mică de incendiu sau explozie.Astfel de baterii sunt utilizate pe scară largă pentru unelte electrice, echipamente medicale și alte roluri.NMC și derivatele sale sunt utilizate pe scară largă în vehiculele electrice.

Domeniile de cercetare pentru bateriile litiu-ion includ extinderea duratei de viață, creșterea densității energiei, îmbunătățirea siguranței, reducerea costurilor și creșterea vitezei de încărcare, printre altele.Au fost în curs de desfășurare cercetări în domeniul electroliților neinflamabili, ca o cale către o siguranță sporită, bazată pe inflamabilitatea și volatilitatea solvenților organici utilizați în electrolitul tipic.Strategiile includ baterii apoase litiu-ion, electroliți ceramici solizi, electroliți polimerici, lichide ionice și sisteme puternic fluorurate.

Baterie versus celulă

O celulă este o unitate electrochimică de bază care conține electrozii, separatorul și electrolitul.

O baterie sau un pachet de baterii este o colecție de celule sau ansambluri de celule, cu carcasă, conexiuni electrice și, eventual, electronice pentru control și protecție.

Electrozi anodici și catodici
Pentru celulele reîncărcabile, termenul anod (sau electrod negativ) desemnează electrodul în care are loc oxidarea în timpul ciclului de descărcare;celălalt electrod este catodul (sau electrodul pozitiv).În timpul ciclului de încărcare, electrodul pozitiv devine anod, iar electrodul negativ devine catod.Pentru majoritatea celulelor litiu-ion, electrodul de oxid de litiu este electrodul pozitiv;pentru celulele litiu-ion de titanat (LTO), electrodul de oxid de litiu este electrodul negativ.

Istorie

fundal

Baterie Varta litiu-ion, Museum Autovision, Altlussheim, Germania
Bateriile cu litiu au fost propuse de chimistul britanic și co-beneficiar al premiului Nobel pentru chimie 2019 M. Stanley Whittingham, acum la Universitatea Binghamton, în timp ce lucra pentru Exxon în anii 1970.Whittingham a folosit sulfură de titan (IV) și litiu metalic drept electrozi.Cu toate acestea, această baterie reîncărcabilă cu litiu nu a putut fi niciodată pusă în practică.Disulfura de titan a fost o alegere proastă, deoarece trebuie sintetizată în condiții de etanșare completă, fiind și destul de costisitoare (~1.000 USD per kilogram pentru materia primă disulfură de titan în anii 1970).Când este expusă la aer, disulfura de titan reacționează pentru a forma compuși de hidrogen sulfurat, care au un miros neplăcut și sunt toxici pentru majoritatea animalelor.Din acest motiv și din alte motive, Exxon a întrerupt dezvoltarea bateriei Whittingham cu disulfură de litiu-titan.[28]Bateriile cu electrozi metalici de litiu prezentau probleme de siguranță, deoarece litiul metalic reacționează cu apa, eliberând hidrogen gazos inflamabil.În consecință, cercetările s-au mutat spre dezvoltarea bateriilor în care, în loc de litiu metalic, sunt prezenți doar compuși de litiu, fiind capabili să accepte și să elibereze ioni de litiu.

Intercalarea reversibilă în grafit și intercalarea în oxizi catodici au fost descoperite în perioada 1974-1976 de JO Besenhard la TU München.Besenhard a propus aplicarea sa în celulele cu litiu.Descompunerea electroliților și co-intercalarea solvenților în grafit au fost dezavantaje severe pentru durata de viață a bateriei.

Dezvoltare

1973 – Adam Heller a propus bateria cu clorură de litiu tionil, încă folosită în dispozitivele medicale implantate și în sistemele de apărare în care sunt necesare o durată de valabilitate mai mare de 20 de ani, densitate mare de energie și/sau toleranță la temperaturi extreme de funcționare.
1977 - Samar Basu a demonstrat intercalarea electrochimică a litiului în grafit la Universitatea din Pennsylvania.Acest lucru a condus la dezvoltarea unui electrod de grafit intercalat cu litiu funcțional la Bell Labs (LiC6) pentru a oferi o alternativă la bateria cu electrod cu litiu metalic.
1979 - Lucrând în grupuri separate, Ned A. Godshall și colab. și, la scurt timp după aceea, John B. Goodenough (Universitatea Oxford) și Koichi Mizushima (Universitatea din Tokyo), au demonstrat o celulă cu litiu reîncărcabilă cu tensiune în intervalul de 4 V folosind litiu dioxid de cobalt (LiCoO2) ca electrod pozitiv și litiu metalic ca electrod negativ.Această inovație a furnizat materialul electrodului pozitiv care a permis bateriile cu litiu comerciale timpurii.LiCoO2 este un material de electrod pozitiv stabil care acționează ca un donator de ioni de litiu, ceea ce înseamnă că poate fi utilizat cu un material de electrod negativ, altul decât metalul de litiu.Permițând utilizarea materialelor cu electrozi negativi stabili și ușor de manevrat, LiCoO2 a permis sisteme noi de baterii reîncărcabile.Godshall et al.a identificat în continuare valoarea similară a oxizilor de metal de tranziție ale compusului ternar, cum ar fi spinelul LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 și LiFe5O4 (și mai târziu materialele catodice de litiu-cupru și oxid de litiu-nichel) în 1985.
1980 - Rachid Yazami a demonstrat intercalarea electrochimică reversibilă a litiului în grafit și a inventat electrodul de litiu grafit (anodul).Electroliții organici disponibili în acel moment s-ar descompune în timpul încărcării cu un electrod negativ de grafit.Yazami a folosit un electrolit solid pentru a demonstra că litiul poate fi intercalat reversibil în grafit printr-un mecanism electrochimic.Începând cu 2011, electrodul de grafit Yazami a fost cel mai frecvent utilizat electrod în bateriile comerciale cu litiu-ion.
Electrodul negativ își are originile în PAS (material semiconductor poliacenic) descoperit de Tokio Yamabe și mai târziu de Shjzukuni Yata la începutul anilor 1980.Sămânța acestei tehnologii a fost descoperirea polimerilor conductivi de către profesorul Hideki Shirakawa și grupul său și, de asemenea, ar putea fi văzută ca plecând de la bateria poliacetilenă litiu ion dezvoltată de Alan MacDiarmid și Alan J. Heeger și colab.
1982 – Godshall et al.au primit brevetul american 4.340.652 pentru utilizarea LiCoO2 ca catozi în bateriile cu litiu, pe baza doctoratului Godshall de la Universitatea Stanford.disertație și publicații din 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David și John Goodenough au dezvoltat un spinel de mangan ca material catod încărcat relevant din punct de vedere comercial pentru bateriile litiu-ion.
1985 - Akira Yoshino a asamblat un prototip de celulă folosind material carbonic în care ionii de litiu puteau fi introduși ca un electrod și oxid de litiu cobalt (LiCoO2) ca celălalt.Acest lucru a îmbunătățit dramatic siguranța.LiCoO2 a permis producția la scară industrială și a activat bateria comercială litiu-ion.
1989 – Arumugam Manthiram și John B. Goodenough au descoperit clasa polianionilor de catozi.Ei au arătat că electrozii pozitivi care conțin polianioni, de exemplu, sulfați, produc tensiuni mai mari decât oxizii datorită efectului inductiv al polianionului.Această clasă de polianion conține materiale precum fosfatul de fier litiu.

< pentru a continua...>