Ličio jonų akumuliatorius arba ličio jonų akumuliatorius (sutrumpintai LIB) yra įkraunamas akumuliatorius.Ličio jonų baterijos dažniausiai naudojamos nešiojamai elektronikai ir elektrinėms transporto priemonėms, o jų populiarumas didėja karinėse ir kosmoso srityse.Ličio jonų akumuliatoriaus prototipą 1985 m. sukūrė Akira Yoshino, remdamasi ankstesniais Johno Goodenougho, M. Stanley Whittinghamo, Rachido Yazami ir Koichi Mizushimos tyrimais 1970–1980 m., o tada komercinė ličio jonų baterija buvo sukurta. „Sony“ ir „Asahi Kasei“ komanda, vadovaujama Yoshio Nishi 1991 m. 2019 m. Nobelio chemijos premija buvo įteikta Yoshino, Goodenough ir Whittingham „už ličio jonų baterijų kūrimą“.

Akumuliatoriuose ličio jonai iš neigiamo elektrodo per elektrolitą juda į teigiamą elektrodą išsikrovimo metu ir atgal įkraunant.Ličio jonų akumuliatoriuose kaip medžiaga prie teigiamo elektrodo naudojamas interkaluotas ličio junginys, o prie neigiamo elektrodo paprastai naudojamas grafitas.Baterijos turi didelį energijos tankį, neturi atminties efekto (išskyrus LFP elementus) ir mažai išsikrauna.Tačiau jie gali kelti pavojų saugai, nes juose yra degių elektrolitų, o jei jie yra pažeisti arba netinkamai įkraunami, gali kilti sprogimai ir gaisrai.„Samsung“ buvo priversta atšaukti „Galaxy Note 7“ telefonus po ličio jonų gaisro, be to, įvyko keletas incidentų, susijusių su „Boeing 787“ baterijomis.

Skirtingų LIB tipų cheminės savybės, našumas, kaina ir saugos charakteristikos skiriasi.Rankinėje elektronikoje dažniausiai naudojamos ličio polimerų baterijos (su polimeriniu geliu kaip elektrolitu) su ličio kobalto oksidu (LiCoO2) kaip katodo medžiaga, kuri pasižymi dideliu energijos tankiu, tačiau kelia pavojų saugai, ypač kai jos pažeistos.Ličio geležies fosfatas (LiFePO4), ličio mangano oksidas (LiMn2O4, Li2MnO3 arba LMO) ir ličio nikelio mangano kobalto oksidas (LiNiMnCoO2 arba NMC) užtikrina mažesnį energijos tankį, bet ilgesnį tarnavimo laiką ir mažesnę gaisro ar sprogimo tikimybę.Tokios baterijos plačiai naudojamos elektriniams įrankiams, medicinos įrangai ir kitiems tikslams.NMC ir jo dariniai plačiai naudojami elektrinėse transporto priemonėse.

Ličio jonų akumuliatorių tyrimų sritys, be kita ko, apima eksploatavimo trukmės pailginimą, energijos tankio didinimą, saugos gerinimą, sąnaudų mažinimą ir įkrovimo greičio didinimą.Buvo atliekami nedegių elektrolitų, kaip būdas padidinti saugą, srityje, remiantis tipiškame elektrolite naudojamų organinių tirpiklių degumu ir lakumu, tyrimai.Strategijos apima vandenines ličio jonų baterijas, keraminius kietus elektrolitus, polimerinius elektrolitus, joninius skysčius ir stipriai fluorintas sistemas.

Baterija prieš elementą

Ląstelė yra pagrindinis elektrocheminis blokas, kuriame yra elektrodai, separatorius ir elektrolitas.

Akumuliatorius arba baterijų blokas yra elementų arba elementų mazgų rinkinys su korpusu, elektros jungtimis ir galbūt elektronika, skirta valdyti ir apsaugoti.

Anodo ir katodo elektrodai
Įkraunamų elementų terminas anodas (arba neigiamas elektrodas) reiškia elektrodą, kuriame vyksta oksidacija iškrovos ciklo metu;kitas elektrodas yra katodas (arba teigiamas elektrodas).Įkrovimo ciklo metu teigiamas elektrodas tampa anodu, o neigiamas elektrodas tampa katodu.Daugumai ličio jonų elementų ličio oksido elektrodas yra teigiamas elektrodas;titanatinių ličio jonų elementų (LTO) atveju ličio oksido elektrodas yra neigiamas elektrodas.

Istorija

Fonas

Varta ličio jonų akumuliatorius, Museum Autovision, Altlussheim, Vokietija
Ličio baterijas pasiūlė britų chemikas ir 2019 m. Nobelio chemijos premijos laureatas M. Stanley Whittinghamas, dabar studijuojantis Binghamtono universitete, 1970-aisiais dirbdamas „Exxon“.Whittingham kaip elektrodus naudojo titano (IV) sulfidą ir ličio metalą.Tačiau ši įkraunama ličio baterija niekada negalėjo būti praktiška.Titano disulfidas buvo prastas pasirinkimas, nes jis turi būti sintetinamas visiškai sandariomis sąlygomis, be to, jis yra gana brangus (~1 000 USD už kilogramą titano disulfido žaliava 1970 m.).Patekęs į orą, titano disulfidas reaguoja ir susidaro vandenilio sulfido junginiai, kurie turi nemalonų kvapą ir yra toksiški daugumai gyvūnų.Dėl šios ir kitų priežasčių Exxon nutraukė Whittingham ličio-titano disulfido baterijos kūrimą.[28]Baterijos su metaliniais ličio elektrodais sukėlė saugos problemų, nes ličio metalas reaguoja su vandeniu, išskirdamas degias vandenilio dujas.Todėl moksliniai tyrimai buvo pradėti kurti baterijas, kuriose vietoj metalinio ličio yra tik ličio junginiai, galintys priimti ir išleisti ličio jonus.

1974–1976 m. JO Besenhardas iš Miuncheno universiteto atrado grįžtamąjį grafito interkalavimą ir katodinius oksidus.Besenhardas pasiūlė jį naudoti ličio elementuose.Elektrolitų skilimas ir tirpiklių įsiterpimas į grafitą buvo rimti ankstyvi akumuliatoriaus veikimo trūkumai.

Vystymas

1973 m. – Adamas Heleris pasiūlė ličio tionilchlorido bateriją, vis dar naudojamą implantuotuose medicinos prietaisuose ir gynybos sistemose, kur reikalingas ilgesnis nei 20 metų galiojimo laikas, didelis energijos tankis ir (arba) tolerancija ekstremalioms darbinėms temperatūroms.
1977 – Samaras Basu pademonstravo elektrocheminį ličio įsiterpimą į grafitą Pensilvanijos universitete.Dėl to „Bell Labs“ (LiC6) buvo sukurtas tinkamas ličio interkaluotas grafito elektrodas, kuris būtų alternatyva ličio metalo elektrodo baterijai.
1979 m. – Ned A. Godshall ir kt., dirbdami atskirose grupėse, o netrukus po to John B. Goodenough (Oksfordo universitetas) ir Koichi Mizushima (Tokjo universitetas) pademonstravo įkraunamą ličio elementą, kurio įtampa yra 4 V, naudojant litį. kobalto dioksidas (LiCoO2) kaip teigiamas elektrodas ir ličio metalas kaip neigiamas elektrodas.Ši naujovė suteikė teigiamą elektrodo medžiagą, kuri įgalino ankstyvas komercines ličio baterijas.LiCoO2 yra stabili teigiamo elektrodo medžiaga, kuri veikia kaip ličio jonų donorė, o tai reiškia, kad ją galima naudoti su neigiama elektrodo medžiaga, išskyrus ličio metalą.Suteikus galimybę naudoti stabilias ir lengvai valdomas neigiamų elektrodų medžiagas, LiCoO2 įgalino naujas įkraunamų baterijų sistemas.Godshall ir kt.taip pat nustatė panašią trijų junginių ličio pereinamojo metalo oksidų, tokių kaip špinelis LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 ir LiFe5O4 (ir vėliau ličio-vario oksido ir ličio-nikelio oksido katodo medžiagos 1985 m.), vertę.
1980 m. – Rachid Yazami pademonstravo grįžtamąjį elektrocheminį ličio įsiterpimą į grafitą ir išrado ličio grafito elektrodą (anodą).Tuo metu turimi organiniai elektrolitai suirtų kraunant neigiamu grafito elektrodu.Yazami panaudojo kietą elektrolitą, kad parodytų, jog litis gali būti grįžtamai įsiterpęs į grafitą naudojant elektrocheminį mechanizmą.2011 m. Yazami grafito elektrodas buvo dažniausiai naudojamas elektrodas komercinėse ličio jonų baterijose.
Neigiamas elektrodas kilęs iš PAS (poliaceninės puslaidininkinės medžiagos), kurią devintojo dešimtmečio pradžioje atrado Tokio Yamabe, o vėliau Shjzukuni Yata.Šios technologijos sėkla buvo profesoriaus Hideki Shirakawa ir jo grupės atradimas laidžių polimerų, taip pat galima manyti, kad tai prasidėjo nuo poliacetileno ličio jonų akumuliatoriaus, kurį sukūrė Alanas MacDiarmidas ir Alanas J. Heegeris ir kt.
1982 – Godshall ir kt.buvo suteiktas JAV patentas 4 340 652 už LiCoO2 naudojimą kaip katodus ličio baterijose, remiantis Godshallo Stenfordo universiteto Ph.D.disertacija ir 1979 m. publikacijos.
1983 m. – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David ir John Goodenough sukūrė mangano špinelį kaip komerciškai svarbią įkraunamą katodinę medžiagą ličio jonų baterijoms.
1985 m. – Akira Yoshino surinko elemento prototipą, naudodama anglies turinčią medžiagą, į kurią kaip vieną elektrodą buvo galima įterpti ličio jonus, o į kitą – ličio kobalto oksidą (LiCoO2).Tai žymiai pagerino saugumą.LiCoO2 įgalino gamybą pramoniniu mastu ir įgalino komercinį ličio jonų akumuliatorių.
1989 m. – Arumugam Manthiram ir John B. Goodenough atrado katodų polianiono klasę.Jie parodė, kad teigiami elektrodai, kuriuose yra polianijonų, pvz., sulfatų, dėl indukcinio polianiono poveikio sukuria didesnę įtampą nei oksidai.Šioje polianiono klasėje yra tokių medžiagų kaip ličio geležies fosfatas.

<tęsinys...>