Литий-ионная батарея или литий-ионная батарея (сокращенно LIB) — это тип перезаряжаемой батареи.Литий-ионные аккумуляторы обычно используются в портативной электронике и электромобилях, и их популярность растет в военных и аэрокосмических приложениях.Прототип литий-ионной батареи был разработан Акирой Йошино в 1985 году на основе более ранних исследований Джона Гуденау, М. Стэнли Уиттингема, Рашида Язами и Коичи Мизусимы в 1970–1980-х годах, а затем коммерческая литий-ионная батарея была разработана Команда Sony и Asahi Kasei под руководством Йошио Ниши в 1991 году. В 2019 году Нобелевская премия по химии была присуждена Йошино, Гуденафу и Уиттингему «за разработку ионно-литиевых аккумуляторов».

В батареях ионы лития перемещаются от отрицательного электрода через электролит к положительному электроду во время разрядки и обратно при зарядке.Литий-ионные батареи используют интеркалированное соединение лития в качестве материала на положительном электроде и обычно графит на отрицательном электроде.Аккумуляторы имеют высокую плотность энергии, отсутствие эффекта памяти (кроме элементов LFP) и низкий саморазряд.Однако они могут представлять угрозу безопасности, поскольку содержат легковоспламеняющиеся электролиты, а их повреждение или неправильная зарядка могут привести к взрывам и пожарам.Samsung была вынуждена отозвать телефоны Galaxy Note 7 из-за возгорания литий-ионных батарей, и было несколько инцидентов с батареями на самолетах Boeing 787.

Химический состав, производительность, стоимость и характеристики безопасности различаются в зависимости от типа ЛИА.В портативной электронике в основном используются литий-полимерные батареи (с полимерным гелем в качестве электролита) с оксидом лития-кобальта (LiCoO2) в качестве материала катода, который обеспечивает высокую плотность энергии, но представляет угрозу безопасности, особенно при повреждении.Фосфат лития-железа (LiFePO4), оксид лития-марганца (LiMn2O4, Li2MnO3 или LMO) и оксид лития-никеля-марганца-кобальта (LiNiMnCoO2 или NMC) обеспечивают более низкую плотность энергии, но более длительный срок службы и меньшую вероятность возгорания или взрыва.Такие батареи широко используются для электроинструментов, медицинского оборудования и других целей.NMC и его производные широко используются в электромобилях.

Области исследований литий-ионных аккумуляторов включают, среди прочего, увеличение срока службы, повышение плотности энергии, повышение безопасности, снижение стоимости и увеличение скорости зарядки.Ведутся исследования в области негорючих электролитов как пути повышения безопасности на основе воспламеняемости и летучести органических растворителей, используемых в типичном электролите.Стратегии включают водные литий-ионные батареи, керамические твердые электролиты, полимерные электролиты, ионные жидкости и сильно фторированные системы.

Батарея против ячейки

Ячейка представляет собой основную электрохимическую единицу, которая содержит электроды, сепаратор и электролит.

Батарея или аккумуляторная батарея представляет собой набор элементов или блоков элементов с корпусом, электрическими соединениями и, возможно, электроникой для управления и защиты.

Анодные и катодные электроды
Для перезаряжаемых элементов термин анод (или отрицательный электрод) обозначает электрод, на котором происходит окисление во время цикла разряда;другой электрод является катодом (или положительным электродом).Во время цикла заряда положительный электрод становится анодом, а отрицательный электрод становится катодом.Для большинства литий-ионных элементов электрод из оксида лития является положительным электродом;для титанатных литий-ионных элементов (LTO) электрод из оксида лития является отрицательным электродом.

История

Задний план

Литий-ионный аккумулятор Varta, Музей Autovision, Альтлуссхайм, Германия
Литиевые батареи были предложены британским химиком и со-лауреатом Нобелевской премии по химии 2019 года М. Стэнли Уиттингемом, который сейчас работает в Бингемтонском университете, когда работал в Exxon в 1970-х годах.Уиттингем использовал сульфид титана (IV) и металлический литий в качестве электродов.Однако эта перезаряжаемая литиевая батарея никогда не могла быть реализована на практике.Дисульфид титана был плохим выбором, поскольку его нужно было синтезировать в полностью герметичных условиях, а также он был довольно дорогим (~ 1000 долларов за килограмм сырья для дисульфида титана в 1970-х годах).При контакте с воздухом дисульфид титана вступает в реакцию с образованием сероводородных соединений, имеющих неприятный запах и токсичных для большинства животных.По этой и другим причинам компания Exxon прекратила разработку литий-титановой дисульфидной батареи Уиттингема.[28]Батареи с металлическими литиевыми электродами представляли собой проблемы с безопасностью, поскольку металлический литий вступает в реакцию с водой, выделяя легковоспламеняющийся газообразный водород.Следовательно, исследования перешли к разработке аккумуляторов, в которых вместо металлического лития присутствуют только литиевые соединения, способные принимать и выделять ионы лития.

Обратимая интеркаляция в графит и интеркаляция в катодные оксиды были обнаружены в 1974–76 гг. Й. О. Безенхардом в Техническом университете Мюнхена.Безенхард предложил его применение в литиевых элементах.Разложение электролита и соинтеркаляция растворителя в графит на первых порах были серьезными недостатками для срока службы батареи.

Разработка

1973 - Адам Хеллер предложил литий-тионилхлоридную батарею, которая до сих пор используется в имплантированных медицинских устройствах и в системах защиты, где требуется срок годности более 20 лет, высокая плотность энергии и / или устойчивость к экстремальным рабочим температурам.
1977 - Самар Басу продемонстрировал электрохимическое внедрение лития в графит в Пенсильванском университете.Это привело к разработке в Bell Labs работоспособного графитового электрода с интеркалированным литием (LiC6), который стал альтернативой батарее с литий-металлическим электродом.
1979 - Работая в разных группах, Нед А. Годшалл и др., а вскоре после этого Джон Б. Гуденаф (Оксфордский университет) и Коичи Мизусима (Токийский университет), продемонстрировали перезаряжаемый литиевый элемент с напряжением в диапазоне 4 В с использованием лития. диоксид кобальта (LiCoO2) в качестве положительного электрода и металлический литий в качестве отрицательного электрода.Это нововведение обеспечило материал положительного электрода, который позволил использовать первые коммерческие литиевые батареи.LiCoO2 представляет собой стабильный материал положительного электрода, который действует как донор ионов лития, что означает, что его можно использовать с материалом отрицательного электрода, отличным от металлического лития.Благодаря возможности использования стабильных и простых в обращении материалов отрицательного электрода, LiCoO2 позволил создать новые системы перезаряжаемых батарей.Годшалл и др.далее определили аналогичную ценность тройных соединений литий-оксидов переходных металлов, таких как шпинель LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 и LiFe5O4 (а позже катодные материалы на основе лития-меди и лития-никеля-оксида в 1985 г.)
1980 - Рашид Язами продемонстрировал обратимую электрохимическую интеркалацию лития в графит и изобрел литий-графитовый электрод (анод).Имевшиеся в то время органические электролиты разлагались при зарядке графитовым отрицательным электродом.Язами использовал твердый электролит, чтобы продемонстрировать, что литий может быть обратимо интеркалирован в графит посредством электрохимического механизма.По состоянию на 2011 год графитовый электрод Язами был наиболее часто используемым электродом в коммерческих литий-ионных батареях.
Отрицательный электрод берет свое начало в ПАС (полиаценовый полупроводниковый материал), открытом Токио Ямабе, а затем Шдзукуни Ята в начале 1980-х годов.Семенем этой технологии стало открытие профессором Хидэки Ширакава и его группой проводящих полимеров, и можно также предположить, что она началась с полиацетиленовой литий-ионной батареи, разработанной Аланом МакДиармидом и Аланом Дж. Хигером и др.
1982 - Годшалл и др.получили патент США 4 340 652 на использование LiCoO2 в качестве катодов в литиевых батареях на основании докторской степени Годшалла в Стэнфордском университете.диссертация и публикации 1979 г.
1983 - Майкл М. Теккерей, Питер Брюс, Уильям Дэвид и Джон Гуденаф разработали марганцевую шпинель в качестве коммерчески значимого заряженного катодного материала для литий-ионных аккумуляторов.
1985 - Акира Йошино собрал прототип элемента, используя углеродистый материал, в который можно было вставить ионы лития в качестве одного электрода и оксид лития-кобальта (LiCoO2) в качестве другого.Это значительно повысило безопасность.LiCoO2 сделал возможным промышленное производство и коммерческий литий-ионный аккумулятор.
1989 - Арумугам Мантирам и Джон Б. Гуденаф открыли катоды класса полианионов.Они показали, что положительные электроды, содержащие полианионы, например, сульфаты, производят более высокое напряжение, чем оксиды, из-за индуктивного эффекта полианиона.Этот класс полианионов содержит такие материалы, как фосфат лития-железа.

<продолжение следует…>