Ang lithium-ion na baterya o Li-ion na baterya (pinaikling LIB) ay isang uri ng rechargeable na baterya.Ang mga bateryang Lithium-ion ay karaniwang ginagamit para sa mga portable na electronics at mga de-kuryenteng sasakyan at nagiging popular ito para sa mga aplikasyon ng militar at aerospace.Isang prototype na Li-ion na baterya ang binuo ni Akira Yoshino noong 1985, batay sa naunang pananaliksik nina John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami at Koichi Mizushima noong 1970s–1980s, at pagkatapos ay isang komersyal na Li-ion na baterya ang binuo ng isang Ang koponan ng Sony at Asahi Kasei na pinamumunuan ni Yoshio Nishi noong 1991. Noong 2019, ang Nobel Prize sa Chemistry ay ibinigay kina Yoshino, Goodenough, at Whittingham "para sa pagbuo ng mga baterya ng lithium ion".

Sa mga baterya, lumilipat ang mga lithium ions mula sa negatibong elektrod sa pamamagitan ng isang electrolyte patungo sa positibong elektrod sa panahon ng paglabas, at pabalik kapag nagcha-charge.Gumagamit ang mga bateryang Li-ion ng intercalated lithium compound bilang materyal sa positibong elektrod at karaniwang grapayt sa negatibong elektrod.Ang mga baterya ay may mataas na densidad ng enerhiya, walang memory effect (maliban sa mga LFP cell) at mababang self-discharge.Gayunpaman, maaari silang maging isang panganib sa kaligtasan dahil naglalaman ang mga ito ng mga nasusunog na electrolyte, at kung nasira o mali ang pagkarga ay maaaring humantong sa mga pagsabog at sunog.Napilitan ang Samsung na bawiin ang mga handset ng Galaxy Note 7 kasunod ng mga sunog sa lithium-ion, at nagkaroon ng ilang insidente na kinasasangkutan ng mga baterya sa Boeing 787s.

Ang chemistry, performance, gastos at mga katangian ng kaligtasan ay nag-iiba-iba sa mga uri ng LIB.Ang mga handheld electronics ay kadalasang gumagamit ng mga lithium polymer na baterya (na may polymer gel bilang electrolyte) na may lithium cobalt oxide (LiCoO2) bilang cathode material, na nag-aalok ng mataas na density ng enerhiya, ngunit nagpapakita ng mga panganib sa kaligtasan, lalo na kapag nasira.Ang Lithium iron phosphate (LiFePO4), lithium manganese oxide (LiMn2O4, Li2MnO3, o LMO), at lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNiMnCoO2 o NMC) ay nag-aalok ng mas mababang density ng enerhiya ngunit mas mahabang buhay at mas kaunting posibilidad ng sunog o pagsabog.Ang mga naturang baterya ay malawakang ginagamit para sa mga de-kuryenteng kasangkapan, kagamitang medikal, at iba pang mga tungkulin.Ang NMC at ang mga derivative nito ay malawakang ginagamit sa mga de-kuryenteng sasakyan.

Kasama sa mga lugar ng pananaliksik para sa mga baterya ng lithium-ion ang pagpapahaba ng buhay, pagtaas ng density ng enerhiya, pagpapabuti ng kaligtasan, pagbabawas ng gastos, at pagtaas ng bilis ng pag-charge, bukod sa iba pa.Ang pananaliksik ay isinasagawa sa lugar ng mga hindi nasusunog na electrolyte bilang isang landas sa mas mataas na kaligtasan batay sa pagkasunog at pagkasumpungin ng mga organikong solvent na ginagamit sa karaniwang electrolyte.Kasama sa mga diskarte ang mga aqueous na lithium-ion na baterya, ceramic solid electrolytes, polymer electrolytes, ionic na likido, at mga system na sobrang fluorinated.

Baterya laban sa cell

Ang cell ay isang pangunahing electrochemical unit na naglalaman ng mga electrodes, separator, at electrolyte.

Ang baterya o battery pack ay isang koleksyon ng mga cell o cell assemblies, na may pabahay, mga de-koryenteng koneksyon, at posibleng mga elektroniko para sa kontrol at proteksyon.

Anode at cathode electrodes
Para sa mga rechargeable na cell, ang terminong anode (o negatibong elektrod) ay tumutukoy sa electrode kung saan nagaganap ang oksihenasyon sa panahon ng ikot ng paglabas;ang iba pang elektrod ay ang katod (o positibong elektrod).Sa panahon ng pag-ikot ng singil, ang positibong elektrod ay nagiging anode at ang negatibong elektrod ay nagiging katod.Para sa karamihan ng mga cell ng lithium-ion, ang lithium-oxide electrode ay ang positibong elektrod;para sa titanate lithium-ion cells (LTO), ang lithium-oxide electrode ay ang negatibong elektrod.

Kasaysayan

Background

Varta lithium-ion na baterya, Museum Autovision, Altlussheim, Germany
Ang mga bateryang lithium ay iminungkahi ng British chemist at co-recipient ng 2019 Nobel prize para sa chemistry na si M. Stanley Whittingham, na ngayon ay nasa Binghamton University, habang nagtatrabaho sa Exxon noong 1970s.Ginamit ni Whittingham ang titanium(IV) sulfide at lithium metal bilang mga electrodes.Gayunpaman, ang rechargeable lithium battery na ito ay hindi kailanman maaaring gawing praktikal.Ang Titanium disulfide ay isang hindi magandang pagpipilian, dahil kailangan itong ma-synthesize sa ilalim ng ganap na selyadong mga kondisyon, na medyo mahal din (~$1,000 bawat kilo para sa titanium disulfide raw na materyal noong 1970s).Kapag nalantad sa hangin, ang titanium disulfide ay tumutugon upang bumuo ng mga hydrogen sulfide compound, na may hindi kanais-nais na amoy at nakakalason sa karamihan ng mga hayop.Para dito, at iba pang mga dahilan, ipinagpatuloy ng Exxon ang pagbuo ng lithium-titanium disulfide na baterya ng Whittingham.[28]Ang mga baterya na may metallic lithium electrodes ay nagpakita ng mga isyu sa kaligtasan, habang ang lithium metal ay tumutugon sa tubig, na naglalabas ng nasusunog na hydrogen gas.Dahil dito, lumipat ang pananaliksik upang bumuo ng mga baterya kung saan, sa halip na metallic lithium, mga lithium compound lamang ang naroroon, na may kakayahang tumanggap at maglabas ng mga lithium ions.

Ang reversible intercalation sa graphite at intercalation sa cathodic oxides ay natuklasan noong 1974–76 ni JO Besenhard sa TU Munich.Iminungkahi ni Besenhard ang aplikasyon nito sa mga cell ng lithium.Ang pagkabulok ng electrolyte at solvent na co-intercalation sa graphite ay malubhang maagang disbentaha para sa buhay ng baterya.

Pag-unlad

1973 - Iminungkahi ni Adam Heller ang baterya ng lithium thionyl chloride, na ginagamit pa rin sa mga implanted na medikal na aparato at sa mga sistema ng depensa kung saan kinakailangan ang higit sa 20-taong buhay ng istante, mataas na densidad ng enerhiya, at/o pagpapahintulot para sa matinding temperatura ng pagpapatakbo.
1977 - Ipinakita ni Samar Basu ang electrochemical intercalation ng lithium sa graphite sa University of Pennsylvania.Ito ay humantong sa pagbuo ng isang magagamit na lithium intercalated graphite electrode sa Bell Labs (LiC6) upang magbigay ng alternatibo sa lithium metal electrode na baterya.
1979 - Nagtatrabaho sa magkahiwalay na grupo, Ned A. Godshall et al., at, di-nagtagal pagkatapos noon, nagpakita sina John B. Goodenough (Oxford University) at Koichi Mizushima (Tokyo University), ng isang rechargeable lithium cell na may boltahe sa 4 V range gamit ang lithium cobalt dioxide (LiCoO2) bilang positibong elektrod at lithium metal bilang negatibong elektrod.Ang inobasyong ito ay nagbigay ng positibong materyal na elektrod na nagpagana ng maagang komersyal na mga baterya ng lithium.Ang LiCoO2 ay isang stable na positive electrode material na nagsisilbing donor ng mga lithium ions, na nangangahulugan na maaari itong gamitin sa isang negatibong electrode material maliban sa lithium metal.Sa pamamagitan ng pagpapagana sa paggamit ng matatag at madaling pangasiwaan ang mga negatibong materyales sa elektrod, pinagana ng LiCoO2 ang nobelang rechargeable na mga sistema ng baterya.Godshall et al.karagdagang natukoy ang katulad na halaga ng ternary compound lithium-transition metal-oxides tulad ng spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, at LiFe5O4 (at kalaunan ay lithium-copper-oxide at lithium-nickel-oxide cathode materials noong 1985)
1980 - Ipinakita ni Rachid Yazami ang nababaligtad na electrochemical intercalation ng lithium sa graphite, at naimbento ang lithium graphite electrode (anode).Ang mga organikong electrolyte na magagamit sa panahong iyon ay mabubulok habang nagcha-charge gamit ang isang graphite negative electrode.Gumamit si Yazami ng solid electrolyte upang ipakita na ang lithium ay maaaring baligtarin na intercalated sa grapayt sa pamamagitan ng isang electrochemical mechanism.Noong 2011, ang graphite electrode ni Yazami ang pinakakaraniwang ginagamit na electrode sa mga komersyal na lithium-ion na baterya.
Ang negatibong elektrod ay nagmula sa PAS (polyacenic semiconductive material) na natuklasan ni Tokio Yamabe at kalaunan ni Shjzukuni Yata noong unang bahagi ng 1980s.Ang binhi ng teknolohiyang ito ay ang pagtuklas ng conductive polymers ni Propesor Hideki Shirakawa at ng kanyang grupo, at makikita rin ito bilang nagsimula mula sa polyacetylene lithium ion na baterya na binuo nina Alan MacDiarmid at Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.ay ginawaran ng US Patent 4,340,652 para sa paggamit ng LiCoO2 bilang mga cathode sa mga baterya ng lithium, batay sa Stanford University Ph.D ng Godshall.disertasyon at 1979 publikasyon.
1983 – Si Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, at John Goodenough ay nakabuo ng manganese spinel bilang isang may-katuturang komersyal na sisingilin na materyal na cathode para sa mga baterya ng lithium-ion.
1985 - Si Akira Yoshino ay nag-assemble ng isang prototype cell gamit ang carbonaceous material kung saan ang mga lithium ions ay maaaring ipasok bilang isang electrode, at lithium cobalt oxide (LiCoO2) bilang isa pa.Ito ay kapansin-pansing pinabuting kaligtasan.Pinagana ng LiCoO2 ang industriyal na produksyon at pinagana ang komersyal na baterya ng lithium-ion.
1989 - Natuklasan ni Arumugam Manthiram at John B. Goodenough ang polyanion class ng mga cathodes.Ipinakita nila na ang mga positibong electrodes na naglalaman ng mga polyanion, hal., sulfates, ay gumagawa ng mas mataas na boltahe kaysa sa mga oxide dahil sa inductive effect ng polyanion.Ang polyanion class na ito ay naglalaman ng mga materyales tulad ng lithium iron phosphate.

< itutuloy...>