'n Litiumioonbattery of Li-ioonbattery (afgekort as LIB) is 'n tipe herlaaibare battery.Litium-ioonbatterye word algemeen gebruik vir draagbare elektroniese en elektriese voertuie en neem toe in gewildheid vir militêre en lugvaarttoepassings.'n Prototipe Li-ioonbattery is in 1985 deur Akira Yoshino ontwikkel, gebaseer op vroeëre navorsing deur John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami en Koichi Mizushima gedurende die 1970's–1980's, en toe is 'n kommersiële Li-ioonbattery ontwikkel deur 'n Sony en Asahi Kasei-span onder leiding van Yoshio Nishi in 1991. In 2019 is die Nobelprys in Chemie aan Yoshino, Goodenough en Whittingham gegee “vir die ontwikkeling van litiumioonbatterye”.

In die batterye beweeg litiumione van die negatiewe elektrode deur 'n elektroliet na die positiewe elektrode tydens ontlading, en terug wanneer dit laai.Li-ioonbatterye gebruik 'n geïnterkaleerde litiumverbinding as die materiaal by die positiewe elektrode en tipies grafiet by die negatiewe elektrode.Die batterye het 'n hoë energiedigtheid, geen geheue-effek (behalwe LFP-selle) en lae selfontlading.Hulle kan egter 'n veiligheidsgevaar wees aangesien hulle vlambare elektroliete bevat, en as dit beskadig of verkeerd gelaai word, kan dit tot ontploffings en brande lei.Samsung is gedwing om Galaxy Note 7-toestelle te herroep ná litium-ioonbrande, en daar was verskeie voorvalle met batterye op Boeing 787's.

Chemie, prestasie, koste en veiligheidskenmerke verskil oor LIB tipes.Handelektronika gebruik meestal litiumpolimeerbatterye (met 'n polimeergel as elektroliet) met litiumkobaltoksied (LiCoO2) as katodemateriaal, wat hoë energiedigtheid bied, maar veiligheidsrisiko's inhou, veral wanneer dit beskadig word.Litiumysterfosfaat (LiFePO4), litiummangaanoksied (LiMn2O4, Li2MnO3 of LMO), en litiumnikkelmangaankobaltoksied (LiNiMnCoO2 of NMC) bied laer energiedigtheid, maar langer lewens en minder waarskynlikheid van brand of ontploffing.Sulke batterye word wyd gebruik vir elektriese gereedskap, mediese toerusting en ander rolle.NMC en sy afgeleides word wyd gebruik in elektriese voertuie.

Navorsingsgebiede vir litium-ioonbatterye sluit onder meer die verlenging van leeftyd, die verhoging van energiedigtheid, die verbetering van veiligheid, die vermindering van koste en die verhoging van laaispoed in.Navorsing is aan die gang op die gebied van nie-vlambare elektroliete as 'n pad na verhoogde veiligheid gebaseer op die vlambaarheid en vlugtigheid van die organiese oplosmiddels wat in die tipiese elektroliet gebruik word.Strategieë sluit in waterige litium-ioonbatterye, vaste keramiekelektroliete, polimeerelektroliete, ioniese vloeistowwe en sterk gefluoreerde stelsels.

Battery versus sel

'n Sel is 'n basiese elektrochemiese eenheid wat die elektrodes, skeier en elektroliet bevat.

'n Battery of batterypak is 'n versameling selle of selsamestellings, met behuising, elektriese verbindings, en moontlik elektronika vir beheer en beskerming.

Anode en katode elektrodes
Vir herlaaibare selle dui die term anode (of negatiewe elektrode) die elektrode aan waar oksidasie plaasvind tydens die ontladingsiklus;die ander elektrode is die katode (of positiewe elektrode).Tydens die ladingsiklus word die positiewe elektrode die anode en die negatiewe elektrode die katode.Vir die meeste litiumioonselle is die litiumoksiedelektrode die positiewe elektrode;vir titanaat-litiumioonselle (LTO), is die litiumoksiedelektrode die negatiewe elektrode.

Geskiedenis

Agtergrond

Varta litium-ioon battery, Museum Autovision, Altlussheim, Duitsland
Litiumbatterye is voorgestel deur die Britse chemikus en mede-ontvanger van die 2019 Nobelprys vir chemie M. Stanley Whittingham, nou aan die Binghamton Universiteit, terwyl hy in die 1970's vir Exxon gewerk het.Whittingham het titaan(IV)sulfied en litiummetaal as die elektrodes gebruik.Hierdie herlaaibare litiumbattery kon egter nooit prakties gemaak word nie.Titaandisulfied was 'n swak keuse, aangesien dit onder heeltemal verseëlde toestande gesintetiseer moet word, wat ook redelik duur was (~$1 000 per kilogram vir titaandisulfied-grondstof in 1970's).Wanneer dit aan lug blootgestel word, reageer titaandisulfied om waterstofsulfiedverbindings te vorm, wat 'n onaangename reuk het en giftig is vir die meeste diere.Om hierdie en ander redes het Exxon die ontwikkeling van Whittingham se litium-titaniumdisulfiedbattery gestaak.[28]Batterye met metaallitiumelektrodes het veiligheidskwessies gehad, aangesien litiummetaal met water reageer en vlambare waterstofgas vrystel.Gevolglik het navorsing beweeg om batterye te ontwikkel waarin, in plaas van metaallitium, slegs litiumverbindings teenwoordig is, wat in staat is om litiumione te aanvaar en vry te stel.

Omkeerbare interkalasie in grafiet en interkalasie in katodiese oksiede is gedurende 1974–76 deur JO Besenhard by TU München ontdek.Besenhard het die toepassing daarvan in litiumselle voorgestel.Elektroliet-ontbinding en oplosmiddel-ko-interkalasie in grafiet was ernstige vroeë nadele vir batterylewe.

Ontwikkeling

1973 – Adam Heller het die litiumtionielchloriedbattery voorgestel, wat steeds gebruik word in ingeplante mediese toestelle en in verdedigingstelsels waar 'n raklewe van meer as 20 jaar, hoë energiedigtheid en/of verdraagsaamheid vir uiterste bedryfstemperature vereis word.
1977 – Samar Basu het elektrochemiese interkalasie van litium in grafiet aan die Universiteit van Pennsylvania gedemonstreer.Dit het gelei tot die ontwikkeling van 'n werkbare litium-geïnterkaleerde grafietelektrode by Bell Labs (LiC6) om 'n alternatief vir die litiummetaalelektrodebattery te bied.
1979 – Werk in afsonderlike groepe, Ned A. Godshall et al., en, kort daarna, John B. Goodenough (Oxford Universiteit) en Koichi Mizushima (Tokio Universiteit), het 'n herlaaibare litiumsel met spanning in die 4 V-reeks deur litium gedemonstreer kobaltdioksied (LiCoO2) as die positiewe elektrode en litiummetaal as die negatiewe elektrode.Hierdie innovasie het die positiewe elektrodemateriaal verskaf wat vroeë kommersiële litiumbatterye moontlik gemaak het.LiCoO2 is 'n stabiele positiewe elektrodemateriaal wat optree as 'n skenker van litiumione, wat beteken dat dit met 'n negatiewe elektrodemateriaal anders as litiummetaal gebruik kan word.Deur die gebruik van stabiele en maklik hanteerbare negatiewe elektrodemateriaal moontlik te maak, het LiCoO2 nuwe herlaaibare batterystelsels moontlik gemaak.Godshall et al.het verder die soortgelyke waarde van ternêre saamgestelde litium-oorgangsmetaaloksiede soos die spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 en LiFe5O4 (en later litium-koperoksied en litium-nikkeloksied katode materiale in 1985) geïdentifiseer.
1980 – Rachid Yazami het die omkeerbare elektrochemiese interkalasie van litium in grafiet gedemonstreer en die litiumgrafietelektrode (anode) uitgevind.Die organiese elektroliete wat destyds beskikbaar was, sou ontbind tydens laai met 'n grafiet negatiewe elektrode.Yazami het 'n soliede elektroliet gebruik om te demonstreer dat litium omkeerbaar in grafiet geïntegreer kan word deur 'n elektrochemiese meganisme.Vanaf 2011 was Yazami se grafietelektrode die elektrode wat die meeste in kommersiële litiumioonbatterye gebruik word.
Die negatiewe elektrode het sy oorsprong in PAS (poliakeniese halfgeleidende materiaal) wat deur Tokio Yamabe en later deur Shjzukuni Yata in die vroeë 1980's ontdek is.Die saad van hierdie tegnologie was die ontdekking van geleidende polimere deur professor Hideki Shirakawa en sy groep, en dit kan ook gesien word dat dit begin het van die poliësetileen-litiumioonbattery wat ontwikkel is deur Alan MacDiarmid en Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.US Patent 4,340,652 is toegeken vir die gebruik van LiCoO2 as katodes in litiumbatterye, gebaseer op Godshall se Stanford University Ph.D.proefskrif en 1979-publikasies.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David en John Goodenough ontwikkel 'n mangaanspinel as 'n kommersieel relevante gelaaide katodemateriaal vir litiumioonbatterye.
1985 - Akira Yoshino het 'n prototipe sel saamgestel met behulp van koolstofhoudende materiaal waarin litiumione as een elektrode en litiumkobaltoksied (LiCoO2) as die ander ingevoeg kon word.Dit het veiligheid dramaties verbeter.LiCoO2 het produksie op industriële skaal moontlik gemaak en die kommersiële litiumioonbattery geaktiveer.
1989 – Arumugam Manthiram en John B. Goodenough het die polianionklas katodes ontdek.Hulle het getoon dat positiewe elektrodes wat polianione bevat, bv. sulfate, hoër spannings as oksiede produseer as gevolg van die induktiewe effek van die polianion.Hierdie polianionklas bevat materiale soos litiumysterfosfaat.

<word vervolg...>