Lithium-iontová baterie nebo Li-ion baterie (zkráceně LIB) je typ dobíjecí baterie.Lithium-iontové baterie se běžně používají pro přenosnou elektroniku a elektrická vozidla a jejich popularita roste pro vojenské a letecké aplikace.Prototyp Li-ion baterie vyvinul Akira Yoshino v roce 1985 na základě dřívějšího výzkumu Johna Goodenougha, M. Stanleyho Whittinghama, Rachida Yazamiho a Koichi Mizushimy během 70.–80. let a poté byla vyvinuta komerční Li-ion baterie. Tým Sony a Asahi Kasei vedený Yoshio Nishi v roce 1991. V roce 2019 byla udělena Nobelova cena za chemii Yoshinovi, Goodenoughovi a Whittinghamovi „za vývoj lithium-iontových baterií“.

V bateriích se ionty lithia pohybují od záporné elektrody přes elektrolyt ke kladné elektrodě během vybíjení a zpět při nabíjení.Li-ion baterie používají jako materiál na kladné elektrodě interkalovanou lithiovou sloučeninu a na záporné elektrodě obvykle grafit.Baterie mají vysokou hustotu energie, žádný paměťový efekt (kromě LFP článků) a nízké samovybíjení.Mohou však představovat bezpečnostní riziko, protože obsahují hořlavé elektrolyty, a pokud jsou poškozené nebo nesprávně nabité, mohou vést k výbuchu a požáru.Samsung byl nucen stáhnout telefony Galaxy Note 7 po požárech lithium-iontů a došlo k několika incidentům s bateriemi na Boeingech 787.

Chemie, výkon, cena a bezpečnostní charakteristiky se u různých typů LIB liší.Ruční elektronika většinou používá lithium-polymerové baterie (s polymerním gelem jako elektrolytem) s oxidem kobaltnatým (LiCoO2) jako katodovým materiálem, který nabízí vysokou hustotu energie, ale představuje bezpečnostní rizika, zejména při poškození.Fosforečnan lithný a železnatý (LiFePO4), oxid lithný a manganový (LiMn2O4, Li2MnO3 nebo LMO) a oxid lithno-nikl-mangan-kobaltnatý (LiNiMnCoO2 nebo NMC) nabízejí nižší hustotu energie, ale delší životnost a menší pravděpodobnost požáru nebo výbuchu.Takové baterie jsou široce používány pro elektrické nástroje, lékařská zařízení a další role.NMC a jeho deriváty jsou široce používány v elektrických vozidlech.

Oblasti výzkumu pro lithium-iontové baterie zahrnují mimo jiné prodloužení životnosti, zvýšení hustoty energie, zlepšení bezpečnosti, snížení nákladů a zvýšení rychlosti nabíjení.Probíhá výzkum v oblasti nehořlavých elektrolytů jako cesty ke zvýšení bezpečnosti založené na hořlavosti a těkavosti organických rozpouštědel používaných v typickém elektrolytu.Mezi strategie patří vodné lithium-iontové baterie, keramické pevné elektrolyty, polymerní elektrolyty, iontové kapaliny a silně fluorované systémy.

Baterie versus článek

Článek je základní elektrochemická jednotka, která obsahuje elektrody, separátor a elektrolyt.

Baterie nebo sada baterií je soubor článků nebo sestav článků s krytem, ​​elektrickými spoji a případně elektronikou pro ovládání a ochranu.

Anodové a katodové elektrody
U dobíjecích článků termín anoda (nebo záporná elektroda) označuje elektrodu, kde během vybíjecího cyklu probíhá oxidace;druhá elektroda je katoda (nebo kladná elektroda).Během nabíjecího cyklu se kladná elektroda stává anodou a záporná elektroda katodou.Pro většinu lithium-iontových článků je lithium-oxidová elektroda kladnou elektrodou;u titanátových lithium-iontových článků (LTO) je lithium-oxidová elektroda zápornou elektrodou.

Dějiny

Pozadí

Lithium-iontová baterie Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Německo
Lithiové baterie navrhl britský chemik a spolupříjemce Nobelovy ceny za chemii za rok 2019 M. Stanley Whittingham, nyní na Binghamtonské univerzitě, když v 70. letech pracoval pro Exxon.Whittingham použil jako elektrody sulfid titanu (IV) a kovové lithium.Tato dobíjecí lithiová baterie však nikdy nemohla být praktická.Disulfid titanu byl špatnou volbou, protože musí být syntetizován za zcela uzavřených podmínek, což je také poměrně drahé (~ 1 000 $ za kilogram za surovinu disulfidu titanu v 70. letech).Při styku se vzduchem reaguje disulfid titanu za vzniku sloučenin sirovodíku, které nepříjemně zapáchají a jsou pro většinu zvířat toxické.Z tohoto a dalších důvodů společnost Exxon zastavila vývoj lithium-titanové disulfidové baterie ve Whittinghamu.[28]Baterie s kovovými lithiovými elektrodami představovaly bezpečnostní problémy, protože kov lithia reaguje s vodou a uvolňuje hořlavý plynný vodík.V důsledku toho se výzkum přesunul k vývoji baterií, ve kterých jsou místo kovového lithia přítomny pouze sloučeniny lithia, které jsou schopné přijímat a uvolňovat ionty lithia.

Reverzibilní interkalaci v grafitu a interkalaci do katodických oxidů objevil v letech 1974–76 JO Besenhard na TU Mnichov.Besenhard navrhl jeho aplikaci v lithiových článcích.Rozklad elektrolytu a kointerkalace rozpouštědel do grafitu byly vážnými počátečními nevýhodami životnosti baterie.

Rozvoj

1973 – Adam Heller navrhl lithium thionylchloridovou baterii, která se stále používá v implantovaných lékařských zařízeních a v obranných systémech, kde je vyžadována více než 20letá skladovatelnost, vysoká hustota energie a/nebo tolerance extrémních provozních teplot.
1977 – Samar Basu prokázal elektrochemickou interkalaci lithia v grafitu na University of Pennsylvania.To vedlo k vývoji funkční lithiové interkalované grafitové elektrody v Bell Labs (LiC6), která poskytuje alternativu k lithiové kovové elektrodové baterii.
1979 – Ned A. Godshall a kol. a krátce poté John B. Goodenough (Oxfordská univerzita) a Koichi Mizushima (Tokijská univerzita), pracující v oddělených skupinách, předvedli dobíjecí lithiový článek s napětím v rozsahu 4 V za použití lithia. oxid kobaltnatý (LiCoO2) jako kladná elektroda a kov lithia jako záporná elektroda.Tato inovace poskytla materiál kladné elektrody, který umožnil první komerční lithiové baterie.LiCoO2 je stabilní kladný elektrodový materiál, který působí jako donor iontů lithia, což znamená, že jej lze použít s materiálem záporné elektrody jiným než lithiovým kovem.Tím, že umožnil použití stabilních a snadno ovladatelných materiálů záporných elektrod, umožnil LiCoO2 nové systémy dobíjecích baterií.Godshall a kol.dále identifikoval podobnou hodnotu ternárních sloučenin lithium-přechodných kovových oxidů, jako je spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 a LiFe5O4 (a později katodové materiály lithium-měď-oxid a lithium-nikl-oxid v roce 1985)
1980 – Rachid Yazami demonstroval reverzibilní elektrochemickou interkalaci lithia v grafitu a vynalezl lithiovou grafitovou elektrodu (anodu).Organické elektrolyty dostupné v té době by se rozkládaly během nabíjení grafitovou zápornou elektrodou.Yazami použil pevný elektrolyt, aby demonstroval, že lithium může být reverzibilně vloženo do grafitu prostřednictvím elektrochemického mechanismu.Od roku 2011 byla grafitová elektroda Yazami nejčastěji používanou elektrodou v komerčních lithium-iontových bateriích.
Záporná elektroda má svůj původ v PAS (polyacenický polovodivý materiál), který objevil Tokio Yamabe a později Shjzukuni Yata na začátku 80. let.Zárodkem této technologie byl objev vodivých polymerů profesorem Hideki Shirakawou a jeho skupinou a lze jej také považovat za vycházející z polyacetylenové lithium-iontové baterie vyvinuté Alanem MacDiarmidem a Alanem J. Heegerem a kol.
1982 – Godshall a kol.získali americký patent 4 340 652 za ​​použití LiCoO2 jako katod v lithiových bateriích, na základě Godshall's Stanford University Ph.D.disertační práce a 1979 publikací.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David a John Goodenough vyvinuli manganový spinel jako komerčně relevantní nabitý katodový materiál pro lithium-iontové baterie.
1985 – Akira Yoshino sestavil prototyp článku využívajícího uhlíkatý materiál, do kterého bylo možné vložit ionty lithia jako jednu elektrodu a oxid lithný a kobaltnatý (LiCoO2) jako druhou.To dramaticky zlepšilo bezpečnost.LiCoO2 umožnil výrobu v průmyslovém měřítku a umožnil komerční lithium-iontové baterie.
1989 – Arumugam Manthiram a John B. Goodenough objevili polyaniontovou třídu katod.Ukázali, že kladné elektrody obsahující polyanionty, např. sírany, produkují vyšší napětí než oxidy díky indukčnímu účinku polyaniontu.Tato třída polyaniontů obsahuje materiály, jako je fosforečnan lithný.

< pokračování…>