Литий-ионды батарея немесе литий-ионды батарея (қысқартылған LIB) қайта зарядталатын батареяның бір түрі болып табылады.Литий-ионды батареялар әдетте портативті электроника мен электр көліктері үшін пайдаланылады және әскери және аэроғарыштық қолданбалар үшін танымалдылығы артып келеді.Ли-ионды аккумулятордың прототипін 1985 жылы Джон Гуденоф, М. Стэнли Уиттингем, Рачид Язами және Коичи Мизусиманың 1970–1980 жылдардағы зерттеулеріне негізделген Акира Йошино әзірледі, содан кейін коммерциялық литий-ионды батареяны 1991 жылы Йошио Ниши басқарған Sony және Asahi Kasei командасы. 2019 жылы химия бойынша Нобель сыйлығы Йошино, Гуденоф және Уиттингемге «литий-иондық батареяларды жасағаны үшін» берілді.

Батареяларда литий иондары разряд кезінде теріс электродтан электролит арқылы оң электродқа, ал зарядтау кезінде кері қозғалады.Ли-ионды батареялар оң электродта материал ретінде интеркалирленген литий қосылысын және теріс электродта әдетте графитті пайдаланады.Батареялардың энергия тығыздығы жоғары, жад әсері жоқ (LFP ұяшықтарынан басқа) және өздігінен разряды төмен.Алайда олар қауіпсіздікке қауіп төндіруі мүмкін, өйткені олардың құрамында тұтанғыш электролиттер бар және зақымдалған немесе дұрыс зарядталмаған болса, жарылыс пен өртке әкелуі мүмкін.Литий-ионды өрттерден кейін Samsung компаниясы Galaxy Note 7 телефондарын қайтарып алуға мәжбүр болды және Boeing 787 ұшақтарында батареяларға қатысты бірнеше оқиға болды.

Химия, өнімділік, құны және қауіпсіздік сипаттамалары LIB түрлерінде әртүрлі болады.Қолдық электроника негізінен катодты материал ретінде литий-кобальт оксиді (LiCoO2) бар литий полимерлі батареяларды (электролит ретінде полимер гелі бар) пайдаланады, ол жоғары энергия тығыздығын ұсынады, бірақ әсіресе зақымдалған кезде қауіпсіздікке қауіп төндіреді.Литий темір фосфаты (LiFePO4), литий марганец оксиді (LiMn2O4, Li2MnO3 немесе LMO) және литий никель марганец кобальт оксиді (LiNiMnCoO2 немесе NMC) энергия тығыздығын төмендетеді, бірақ ұзақ қызмет етеді және өрт немесе жарылыс ықтималдығын азайтады.Мұндай аккумуляторлар электр аспаптарына, медициналық жабдықтарға және басқа рөлдерге кеңінен қолданылады.NMC және оның туындылары электрлі көліктерде кеңінен қолданылады.

Литий-ионды аккумуляторларға арналған зерттеу бағыттарына қызмет ету мерзімін ұзарту, энергия тығыздығын арттыру, қауіпсіздікті арттыру, құнын төмендету және зарядтау жылдамдығын арттыру, т.б. кіреді.Әдеттегі электролитте қолданылатын органикалық еріткіштердің тұтанғыштығы мен ұшқыштығына негізделген қауіпсіздікті арттыру жолы ретінде жанбайтын электролиттер саласында зерттеулер жүргізілуде.Стратегияларға сулы литий-ионды батареялар, керамикалық қатты электролиттер, полимерлі электролиттер, иондық сұйықтықтар және қатты фторланған жүйелер кіреді.

Батарея мен ұяшық

Ұяшық - электродтар, сепаратор және электролит бар негізгі электрохимиялық бірлік.

Батарея немесе батарея жинағы корпусы, электр қосылымдары және басқару мен қорғауға арналған электроникасы бар ұяшықтардың немесе ұяшықтардың жинақтарының жиынтығы.

Анодтық және катодты электродтар
Қайта зарядталатын ұяшықтар үшін анод (немесе теріс электрод) термині разряд циклі кезінде тотығу орын алатын электродты білдіреді;басқа электрод - катод (немесе оң электрод).Зарядтау циклі кезінде оң электрод анодқа, ал теріс электрод катодқа айналады.Литий-ионды жасушалардың көпшілігі үшін литий-оксидті электрод оң электрод болып табылады;титанатты литий-иондық жасушалар (LTO) үшін литий-оксидті электрод теріс электрод болып табылады.

Тарих

Фон

Varta литий-ионды аккумуляторы, Autovision мұражайы, Алтлусхайм, Германия
Литий батареяларын британ химигі және химия бойынша 2019 жылғы Нобель сыйлығының тең иегері М. Стэнли Уиттингем, қазір Бингемтон университетінде, 1970 жылдары Exxon компаниясында жұмыс істеген кезде ұсынған.Уиттингем электродтар ретінде титан (IV) сульфиді мен литий металын пайдаланды.Дегенмен, бұл қайта зарядталатын литий батареясы ешқашан практикалық болуы мүмкін емес.Титан дисульфиді нашар таңдау болды, өйткені оны толығымен жабық жағдайларда синтездеу керек, сонымен қатар өте қымбат болды (1970-ші жылдары титан дисульфиді шикізаты үшін килограммына ~ 1000 доллар).Ауамен әсер еткенде, титан дисульфиді реакцияға түсіп, күкіртті сутегі қосылыстарын түзеді, жағымсыз иісі бар және жануарлардың көпшілігі үшін улы.Осы және басқа себептерге байланысты Exxon Уиттингемнің литий-титан дисульфидті батареясын әзірлеуді тоқтатты.[28]Металл литий электродтары бар батареялар қауіпсіздік мәселелерін көрсетті, өйткені литий металы сумен әрекеттесіп, тұтанғыш сутегі газын шығарады.Демек, зерттеулер металл литийдің орнына тек литий иондарын қабылдауға және шығаруға қабілетті литий қосылыстары болатын батареяларды әзірлеуге көшті.

Графиттегі қайтымды интеркалацияны және катодты оксидтерге интеркалацияны 1974–76 жылдары Мюнхен университетінде Джо Безенхард ашты.Безенхард оны литий жасушаларында қолдануды ұсынды.Электролиттің ыдырауы және еріткіштің графитке ко-интеркалациялануы батареяның қызмет ету мерзімінің ертеректегі елеулі кемшіліктері болды.

Даму

1973 - Адам Хеллер әлі де имплантацияланған медициналық құрылғыларда және 20 жылдан астам жарамдылық мерзімі, жоғары энергия тығыздығы және/немесе экстремалды жұмыс температурасына төзімділік қажет қорғаныс жүйелерінде қолданылатын литий тионилхлоридті батареяны ұсынды.
1977 - Самар Басу Пенсильвания университетінде графиттегі литийдің электрохимиялық интеркалациясын көрсетті.Бұл литий металл электродты аккумуляторға балама ұсыну үшін Bell Labs (LiC6) зертханасында жұмыс істейтін литий интеркалирленген графит электродының дамуына әкелді.
1979 - Жеке топтарда жұмыс істей отырып, Нед А. Годшалл және т.б. және көп ұзамай Джон Б. Гуденоф (Оксфорд университеті) және Коичи Мизусима (Токио университеті) литийді пайдалана отырып, 4 В диапазонында кернеуі бар қайта зарядталатын литий элементін көрсетті. оң электрод ретінде кобальт диоксиді (LiCoO2) және теріс электрод ретінде литий металы.Бұл жаңалық ерте коммерциялық литий батареяларына мүмкіндік беретін оң электродтық материалды қамтамасыз етті.LiCoO2 – литий иондарының доноры ретінде әрекет ететін тұрақты оң электрод материалы, бұл оны литий металынан басқа теріс электрод материалымен пайдалануға болатынын білдіреді.Тұрақты және өңдеуге оңай теріс электродтық материалдарды пайдалануға мүмкіндік беру арқылы LiCoO2 жаңа қайта зарядталатын батарея жүйелерін іске қосты.Godshall және т.б.шпинель LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 және LiFe5O4 (және кейінірек литий-мыс-оксиді және литий-никель-оксидті катодты материалдар) сияқты үштік қосылыс литий-өтпелі металл оксидтерінің ұқсас мәнін анықтады.
1980 - Рачид Язами графиттегі литийдің қайтымды электрохимиялық интеркалациясын көрсетті және литий графиті электродты (анод) ойлап тапты.Сол кездегі органикалық электролиттер графит теріс электродпен зарядтау кезінде ыдырайды.Язами литийдің электрохимиялық механизм арқылы графитте қайтымды интеркалациялануын көрсету үшін қатты электролит пайдаланды.2011 жылы Язамидің графит электроды коммерциялық литий-иондық аккумуляторларда ең жиі қолданылатын электрод болды.
Теріс электрод 1980-ші жылдардың басында Токио Ямабе және кейінірек Шжзукуни Ята ашқан PAS (полиценді жартылай өткізгіш материал) негізінде пайда болды.Бұл технологияның тұқымы профессор Хидеки Ширакаваның және оның тобының өткізгіш полимерлерді ашуы болды және оны Алан МакДиармид пен Алан Дж. Хигер және т.б. әзірлеген полиацетиленді литий-иондық батареядан бастау ретінде қарастыруға болады.
1982 – Годшалл және т.б.Годшаллдың Стэнфорд университетінің Ph.D.диссертация және 1979 жылғы жарияланымдар.
1983 - Майкл М. Такерей, Питер Брюс, Уильям Дэвид және Джон Гуденоф литий-иондық батареялар үшін коммерциялық маңызды зарядталған катодты материал ретінде марганец шпинелін жасады.
1985 - Акира Йошино көміртекті материалды пайдаланып, бір электрод ретінде литий иондарын және екіншісі ретінде литий кобальт оксидін (LiCoO2) енгізуге болатын прототиптік ұяшықты құрастырды.Бұл қауіпсіздікті айтарлықтай жақсартты.LiCoO2 өнеркәсіптік ауқымдағы өндіріске және коммерциялық литий-иондық аккумуляторға мүмкіндік берді.
1989 - Арумугам Мантирам және Джон Б. Гуденоф катодтардың полианиондық класын ашты.Олар полианиондарды, мысалы, сульфаттарды қамтитын оң электродтар полианионның индуктивті әсерінен оксидтерге қарағанда жоғары кернеулер беретінін көрсетті.Бұл полианиондар класында литий темір фосфаты сияқты материалдар бар.

<жалғасы бар…>