Litium-ion batareya və ya Li-ion batareya (qısaldılmış LIB) təkrar doldurulan batareya növüdür.Litium-ion batareyalar ümumiyyətlə portativ elektronika və elektrik nəqliyyat vasitələri üçün istifadə olunur və hərbi və aerokosmik tətbiqlər üçün populyarlıq artır.Li-ion batareyanın prototipi 1985-ci ildə Akira Yoşino tərəfindən 1970-1980-ci illərdə Con Qudenof, M. Stenli Uittinqem, Rachid Yazami və Koiçi Mizuşimanın əvvəlki tədqiqatlarına əsaslanaraq hazırlanmışdır və sonra kommersiya Li-ion batareyası 1991-ci ildə Yoshio Nişinin rəhbərlik etdiyi Sony və Asahi Kasei komandası. 2019-cu ildə Kimya üzrə Nobel Mükafatı “litium-ion batareyalarının inkişafı üçün” Yoshino, Qudenough və Whittinghama verildi.

Batareyalarda litium ionları boşalma zamanı mənfi elektroddan elektrolit vasitəsilə müsbət elektroda, doldurularkən isə geriyə keçir.Li-ion batareyaları müsbət elektrodda material kimi interkalasiya edilmiş litium birləşməsindən və adətən mənfi elektrodda qrafitdən istifadə edir.Batareyalar yüksək enerji sıxlığına malikdir, yaddaş effekti yoxdur (LFP hüceyrələrindən başqa) və aşağı öz-özünə boşalma.Bununla belə, onlar alovlanan elektrolitləri ehtiva etdikləri üçün təhlükəsizlik təhlükəsi ola bilər və zədələnmiş və ya yanlış yüklənmiş olduqda partlayışlara və yanğınlara səbəb ola bilər.Litium-ion yanğınlarından sonra Samsung Galaxy Note 7 telefonlarını geri çağırmaq məcburiyyətində qaldı və Boeing 787-lərdə batareyalarla bağlı bir neçə insident baş verdi.

Kimya, performans, qiymət və təhlükəsizlik xüsusiyyətləri LIB növləri arasında dəyişir.Əl elektronikası əsasən katod materialı kimi litium kobalt oksidi (LiCoO2) olan litium polimer batareyalardan (elektrolit kimi polimer gel ilə) istifadə edir, bu da yüksək enerji sıxlığı təklif edir, lakin xüsusilə zədələndikdə təhlükəsizlik riskləri yaradır.Litium dəmir fosfat (LiFePO4), litium manqan oksid (LiMn2O4, Li2MnO3 və ya LMO) və litium nikel manqan kobalt oksidi (LiNiMnCoO2 və ya NMC) daha az enerji sıxlığı, lakin daha uzun ömür və daha az yanğın və ya partlayış ehtimalı təklif edir.Belə batareyalar elektrik alətləri, tibbi avadanlıqlar və digər rollar üçün geniş istifadə olunur.NMC və onun törəmələri elektrik avtomobillərində geniş istifadə olunur.

Litium-ion batareyaları üçün tədqiqat sahələrinə digərləri arasında ömrün uzadılması, enerji sıxlığının artırılması, təhlükəsizliyin artırılması, xərclərin azaldılması və doldurulma sürətinin artırılması daxildir.Tipik elektrolitdə istifadə olunan üzvi həlledicilərin alovlanma qabiliyyətinə və uçuculuğuna əsaslanan təhlükəsizliyin artırılması yolu kimi yanan olmayan elektrolitlər sahəsində tədqiqatlar aparılır.Strategiyalara sulu litium-ion batareyaları, keramika bərk elektrolitləri, polimer elektrolitlər, ion mayeləri və güclü flüorlu sistemlər daxildir.

Batareya və hüceyrə

Hüceyrə elektrodları, ayırıcıları və elektrolitləri ehtiva edən əsas elektrokimyəvi vahiddir.

Batareya və ya batareya dəsti, idarəetmə və mühafizə üçün korpusu, elektrik birləşmələri və bəlkə də elektronikası olan hüceyrələr və ya hüceyrə birləşmələri toplusudur.

Anod və katod elektrodları
Yenidən doldurulan hüceyrələr üçün anod (və ya mənfi elektrod) termini boşalma dövrü ərzində oksidləşmənin baş verdiyi elektrodu təyin edir;digər elektrod katoddur (və ya müsbət elektroddur).Yükləmə dövrü ərzində müsbət elektrod anod, mənfi elektrod isə katoda çevrilir.Əksər litium-ion hüceyrələri üçün litium-oksid elektrod müsbət elektroddur;titanat litium-ion hüceyrələri (LTO) üçün litium-oksid elektrod mənfi elektroddur.

Tarix

Fon

Varta litium-ion batareyası, Muzey Autovision, Altlussheim, Almaniya
Litium batareyaları britaniyalı kimyaçı və kimya üzrə 2019-cu il Nobel mükafatı laureatı M. Stanley Whittingham, hazırda Binghamton Universitetində, 1970-ci illərdə Exxon üçün işləyərkən təklif edilmişdir.Whittingham elektrodlar kimi titan (IV) sulfid və litium metaldan istifadə etdi.Bununla belə, bu təkrar doldurulan litium batareya heç vaxt praktik ola bilməz.Titan disulfid pis seçim idi, çünki o, tamamilə möhürlənmiş şəraitdə sintez edilməli idi, həm də olduqca baha idi (1970-ci illərdə titan disulfid xammalı üçün hər kiloqram üçün ~ 1000 dollar).Hava ilə təmasda olduqda, titan disulfid xoşagəlməz bir qoxu olan və əksər heyvanlar üçün zəhərli olan hidrogen sulfid birləşmələrini meydana gətirmək üçün reaksiya verir.Bu və digər səbəblərə görə Exxon, Whittingham-ın litium-titan disulfid batareyasının inkişafını dayandırdı.[28]Metal litium elektrodlu akkumulyatorlar təhlükəsizlik problemlərini ortaya qoydu, çünki litium metal su ilə reaksiyaya girərək alışan hidrogen qazı buraxır.Nəticə etibarilə, tədqiqatlar litium ionlarını qəbul etmək və buraxmaq qabiliyyətinə malik olan metal litiumun əvəzinə yalnız litium birləşmələrinin mövcud olduğu batareyaları inkişaf etdirməyə keçdi.

Qrafitdə geri çevrilən interkalasiya və katod oksidlərə interkalasiya 1974-76-cı illərdə TU Münhendə JO Besenhard tərəfindən kəşf edilmişdir.Besenhard onun litium hüceyrələrində tətbiqini təklif etdi.Elektrolitin parçalanması və həlledicinin qrafitə ko-interkalasiyası batareyanın ömrü üçün ciddi erkən çatışmazlıqlar idi.

İnkişaf

1973 - Adam Heller hələ də implantasiya edilmiş tibbi cihazlarda və 20 ildən çox raf ömrü, yüksək enerji sıxlığı və/və ya həddindən artıq işləmə temperaturlarına dözümlülük tələb olunan müdafiə sistemlərində istifadə olunan litium tionil xlorid batareyasını təklif etdi.
1977 - Samar Basu Pensilvaniya Universitetində qrafitdə litiumun elektrokimyəvi interkalasiyasını nümayiş etdirdi.Bu, litium metal elektrod batareyasına alternativ təmin etmək üçün Bell Laboratoriyalarında (LiC6) işlək litium interkalasiyalı qrafit elektrodunun inkişafına səbəb oldu.
1979 - Ayrı-ayrı qruplarda işləyən Ned A. Godshall və başqaları və qısa müddət sonra John B. Goodenough (Oxford Universiteti) və Koichi Mizushima (Tokio Universiteti) litiumdan istifadə edərək 4 V diapazonunda gərginliyə malik təkrar doldurulan litium elementini nümayiş etdirdilər. müsbət elektrod kimi kobalt dioksid (LiCoO2) və mənfi elektrod kimi litium metal.Bu yenilik ilkin kommersiya litium batareyalarını işə salan müsbət elektrod materialını təmin etdi.LiCoO2 litium ionlarının donoru kimi çıxış edən sabit müsbət elektrod materialıdır, yəni litium metaldan başqa mənfi elektrod materialı ilə istifadə oluna bilər.Sabit və asan idarə olunan mənfi elektrod materiallarının istifadəsini təmin etməklə, LiCoO2 yeni təkrar doldurulan batareya sistemlərini işə saldı.Godshall və başqaları.spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 və LiFe5O4 (daha sonra litium-mis-oksid və litium-nikel-oksid katod materialları) kimi üçlü birləşmə litium-keçid metal-oksidlərinin oxşar dəyərini müəyyən etdi.
1980 - Rachid Yazami qrafitdə litiumun geri çevrilən elektrokimyəvi interkalasiyasını nümayiş etdirdi və litium qrafit elektrodunu (anod) icad etdi.O zaman mövcud olan üzvi elektrolitlər qrafit mənfi elektrodla doldurulma zamanı parçalanır.Yazami, litiumun elektrokimyəvi mexanizm vasitəsilə qrafitdə tərsinə çevrilə biləcəyini nümayiş etdirmək üçün bərk elektrolitdən istifadə etdi.2011-ci ildən etibarən Yazaminin qrafit elektrodu kommersiya litium-ion batareyalarında ən çox istifadə edilən elektrod idi.
Mənfi elektrodun mənşəyi Tokio Yamabe və daha sonra 1980-ci illərin əvvəllərində Şjzukuni Yata tərəfindən kəşf edilmiş PAS (poliasenik yarımkeçirici material) ilə bağlıdır.Bu texnologiyanın toxumu professor Hideki Şirakava və onun qrupu tərəfindən keçirici polimerlərin kəşfi idi və bunun Alan MacDiarmid və Alan J. Heeger et al tərəfindən hazırlanmış poliasetilen litium-ion batareyasından başladığı kimi də görünə bilər.
1982 - Godshall et al.Godshall's Stanford Universitetinin Ph.D.-yə əsaslanaraq, LiCoO2-nin litium batareyalarında katod kimi istifadəsi üçün ABŞ Patenti 4,340,652-yə layiq görülmüşdür.dissertasiyası və 1979-cu il nəşrləri.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David və John Goodenough, litium-ion batareyaları üçün kommersiya baxımından uyğun yüklənmiş katod materialı kimi manqan şpineli hazırladılar.
1985 - Akira Yoshino, bir elektrod olaraq litium ionlarının və digəri kimi litium kobalt oksidinin (LiCoO2) daxil edilə biləcəyi karbonlu materialdan istifadə edərək prototip hüceyrə yığdı.Bu, təhlükəsizliyi əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırdı.LiCoO2 sənaye miqyasında istehsala imkan verdi və kommersiya litium-ion batareyasını işə saldı.
1989 - Arumugam Manthiram və John B. Goodenough katodların polianion sinfini kəşf etdilər.Onlar göstərdilər ki, tərkibində polianionlar, məsələn, sulfatlar olan müsbət elektrodlar polianionun induktiv təsirinə görə oksidlərdən daha yüksək gərginliklər yaradır.Bu polianion sinfi litium dəmir fosfat kimi materiallardan ibarətdir.

<davam edəcək…>