Et lithium-ion-batteri eller Li-ion-batteri (forkortet LIB) er en type genopladeligt batteri.Lithium-ion-batterier bruges almindeligvis til bærbar elektronik og elektriske køretøjer og vokser i popularitet til militær- og rumfartsapplikationer.Et prototype Li-ion batteri blev udviklet af Akira Yoshino i 1985, baseret på tidligere forskning af John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami og Koichi Mizushima i løbet af 1970'erne-1980'erne, og derefter blev et kommercielt Li-ion batteri udviklet af en Sony og Asahi Kasei-teamet ledet af Yoshio Nishi i 1991. I 2019 blev Nobelprisen i kemi givet til Yoshino, Goodenough og Whittingham "for udviklingen af ​​lithium-ion-batterier".

I batterierne bevæger lithium-ioner sig fra den negative elektrode gennem en elektrolyt til den positive elektrode under afladning og tilbage under opladning.Li-ion-batterier bruger en interkaleret lithiumforbindelse som materiale ved den positive elektrode og typisk grafit ved den negative elektrode.Batterierne har en høj energitæthed, ingen memory-effekt (udover LFP-celler) og lav selvafladning.De kan dog udgøre en sikkerhedsrisiko, da de indeholder brandfarlige elektrolytter, og hvis de er beskadigede eller forkert opladede, kan de føre til eksplosioner og brande.Samsung blev tvunget til at tilbagekalde Galaxy Note 7-telefoner efter lithium-ion-brande, og der har været flere hændelser med batterier på Boeing 787.

Kemi, ydeevne, omkostninger og sikkerhedsegenskaber varierer på tværs af LIB-typer.Håndholdt elektronik bruger for det meste lithiumpolymerbatterier (med en polymergel som elektrolyt) med lithiumkoboltoxid (LiCoO2) som katodemateriale, hvilket giver høj energitæthed, men udgør sikkerhedsrisici, især når det er beskadiget.Lithiumjernfosfat (LiFePO4), lithiummanganoxid (LiMn2O4, Li2MnO3 eller LMO) og lithiumnikkelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) giver lavere energitæthed, men længere levetid og mindre sandsynlighed for brand eller eksplosion.Sådanne batterier bruges i vid udstrækning til elektrisk værktøj, medicinsk udstyr og andre roller.NMC og dets derivater er meget udbredt i elektriske køretøjer.

Forskningsområder for lithium-ion-batterier omfatter blandt andet forlængelse af levetiden, øget energitæthed, forbedring af sikkerheden, reduktion af omkostninger og øget opladningshastighed.Der har været forskning i gang inden for ikke-brændbare elektrolytter som en vej til øget sikkerhed baseret på brandbarheden og flygtigheden af ​​de organiske opløsningsmidler, der anvendes i den typiske elektrolyt.Strategier omfatter vandige lithium-ion-batterier, keramiske faste elektrolytter, polymerelektrolytter, ioniske væsker og stærkt fluorerede systemer.

Batteri kontra celle

En celle er en grundlæggende elektrokemisk enhed, der indeholder elektroderne, separatoren og elektrolytten.

Et batteri eller batteripakke er en samling af celler eller cellesamlinger med hus, elektriske forbindelser og muligvis elektronik til kontrol og beskyttelse.

Anode- og katodeelektroder
For genopladelige celler betegner udtrykket anode (eller negativ elektrode) den elektrode, hvor oxidation finder sted under afladningscyklussen;den anden elektrode er katoden (eller den positive elektrode).Under ladecyklussen bliver den positive elektrode til anoden, og den negative elektrode bliver til katoden.For de fleste lithium-ion-celler er lithium-oxid-elektroden den positive elektrode;for titanat-lithium-ion-celler (LTO) er lithium-oxid-elektroden den negative elektrode.

Historie

Baggrund

Varta lithium-ion batteri, Museum Autovision, Altlussheim, Tyskland
Lithium-batterier blev foreslået af den britiske kemiker og medmodtager af 2019 Nobelprisen i kemi M. Stanley Whittingham, nu ved Binghamton University, mens han arbejdede for Exxon i 1970'erne.Whittingham brugte titanium(IV)sulfid og lithiummetal som elektroder.Dette genopladelige lithiumbatteri kunne dog aldrig blive gjort praktisk.Titaniumdisulfid var et dårligt valg, da det skal syntetiseres under fuldstændigt forseglede forhold, og det er også ret dyrt (~$1.000 pr. kilogram for titandisulfidråmateriale i 1970'erne).Når det udsættes for luft, reagerer titandisulfid og danner hydrogensulfidforbindelser, som har en ubehagelig lugt og er giftige for de fleste dyr.Af denne og andre grunde indstillede Exxon udviklingen af ​​Whittinghams lithium-titaniumdisulfid-batteri.[28]Batterier med metalliske lithiumelektroder gav sikkerhedsproblemer, da lithiummetal reagerer med vand og frigiver brændbar brintgas.Derfor gik forskningen i retning af at udvikle batterier, hvori i stedet for metallisk lithium kun er lithiumforbindelser til stede, som er i stand til at acceptere og frigive lithiumioner.

Reversibel interkalation i grafit og interkalation til katodiske oxider blev opdaget i løbet af 1974-76 af JO Besenhard ved TU München.Besenhard foreslog dets anvendelse i lithiumceller.Elektrolytnedbrydning og opløsningsmiddel-co-interkalation i grafit var alvorlige tidlige ulemper for batteriets levetid.

Udvikling

1973 - Adam Heller foreslog lithiumthionylchlorid-batteriet, der stadig bruges i implanteret medicinsk udstyr og i forsvarssystemer, hvor der kræves mere end 20 års holdbarhed, høj energitæthed og/eller tolerance over for ekstreme driftstemperaturer.
1977 - Samar Basu demonstrerede elektrokemisk interkalation af lithium i grafit ved University of Pennsylvania.Dette førte til udviklingen af ​​en brugbar lithium interkaleret grafitelektrode hos Bell Labs (LiC6) for at give et alternativ til lithiummetalelektrodebatteriet.
1979 – Ned A. Godshall et al., og kort derefter John B. Goodenough (Oxford University) og Koichi Mizushima (Tokyo University), arbejdede i separate grupper, demonstrerede en genopladelig lithiumcelle med spænding i 4 V-området ved hjælp af lithium koboltdioxid (LiCoO2) som den positive elektrode og lithiummetal som den negative elektrode.Denne innovation gav det positive elektrodemateriale, der muliggjorde tidlige kommercielle lithiumbatterier.LiCoO2 er et stabilt positivt elektrodemateriale, der fungerer som donor af lithiumioner, hvilket betyder, at det kan bruges med et andet negativt elektrodemateriale end lithiummetal.Ved at muliggøre brugen af ​​stabile og nemme at håndtere negative elektrodematerialer, muliggjorde LiCoO2 nye genopladelige batterisystemer.Godshall et al.identificerede yderligere den lignende værdi af ternære sammensatte lithium-overgangsmetaloxider, såsom spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 og LiFe5O4 (og senere lithium-kobber-oxid og lithium-nikkel-oxid katode materialer i 1985)
1980 - Rachid Yazami demonstrerede den reversible elektrokemiske interkalation af lithium i grafit og opfandt lithiumgrafitelektroden (anode).De organiske elektrolytter, der var tilgængelige på det tidspunkt, ville nedbrydes under opladning med en negativ grafitelektrode.Yazami brugte en fast elektrolyt til at demonstrere, at lithium kunne interkaleres reversibelt i grafit gennem en elektrokemisk mekanisme.Fra 2011 var Yazamis grafitelektrode den mest almindeligt anvendte elektrode i kommercielle lithium-ion-batterier.
Den negative elektrode har sin oprindelse i PAS (polyacenisk halvledende materiale) opdaget af Tokio Yamabe og senere af Shjzukuni Yata i begyndelsen af ​​1980'erne.Frøet til denne teknologi var opdagelsen af ​​ledende polymerer af professor Hideki Shirakawa og hans gruppe, og det kunne også ses som at have taget udgangspunkt i polyacetylen lithium-ion-batteriet udviklet af Alan MacDiarmid og Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.blev tildelt US Patent 4.340.652 for brugen af ​​LiCoO2 som katoder i lithium-batterier, baseret på Godshalls Stanford University Ph.D.afhandling og 1979-publikationer.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David og John Goodenough udviklede en manganspinel som et kommercielt relevant ladet katodemateriale til lithium-ion-batterier.
1985 - Akira Yoshino samlede en prototypecelle ved hjælp af kulstofholdigt materiale, hvori lithiumioner kunne indsættes som den ene elektrode og lithiumkoboltoxid (LiCoO2) som den anden.Dette forbedrede sikkerheden markant.LiCoO2 muliggjorde produktion i industriel skala og muliggjorde det kommercielle lithium-ion-batteri.
1989 – Arumugam Manthiram og John B. Goodenough opdagede polyanionklassen af ​​katoder.De viste, at positive elektroder indeholdende polyanioner, f.eks. sulfater, producerer højere spændinger end oxider på grund af polyanionens induktive virkning.Denne polyanion-klasse indeholder materialer såsom lithiumjernfosfat.

< fortsættes...>