ლითიუმ-იონური ბატარეა ან Li-ion ბატარეა (შემოკლებით LIB) არის დატენვის ბატარეის ტიპი.ლითიუმ-იონური ბატარეები ჩვეულებრივ გამოიყენება პორტატული ელექტრონიკისა და ელექტრო მანქანებისთვის და იზრდება პოპულარობა სამხედრო და საჰაერო კოსმოსური აპლიკაციებისთვის.Li-ion ბატარეის პროტოტიპი შეიმუშავა აკირა იოშინომ 1985 წელს, ჯონ გუდენაუს, მ. სტენლი უიტტინგემის, რაჩიდ იაზამის და კოიჩი მიზუშიმას ადრინდელ კვლევებზე დაყრდნობით 1970-1980-იან წლებში, შემდეგ კი კომერციული Li-ion ბატარეა შეიქმნა. Sony და Asahi Kasei გუნდი იოშიო ნიშის ხელმძღვანელობით 1991 წელს. 2019 წელს ნობელის პრემია ქიმიაში გადაეცა Yoshino-ს, Goodenough-სა და Whittingham-ს „ლითიუმის იონური ბატარეების განვითარებისთვის“.

ბატარეებში, ლითიუმის იონები გადადიან უარყოფითი ელექტროდიდან ელექტროლიტის გავლით დადებით ელექტროდამდე გამონადენის დროს და უკან დატენვისას.Li-ion ბატარეები იყენებენ ინტერკალირებული ლითიუმის ნაერთს, როგორც მასალას დადებით ელექტროდში და, როგორც წესი, გრაფიტს უარყოფით ელექტროდში.ბატარეებს აქვთ ენერგიის მაღალი სიმკვრივე, არ აქვთ მეხსიერების ეფექტი (გარდა LFP უჯრედებისა) და დაბალი თვითგამორთვა.თუმცა, ისინი შეიძლება იყოს უსაფრთხოების საშიშროება, რადგან ისინი შეიცავს აალებადი ელექტროლიტებს და თუ დაზიანებულია ან არასწორად დამუხტავს, შეიძლება გამოიწვიოს აფეთქება და ხანძარი.სამსუნგი იძულებული გახდა გაწვეულიყო Galaxy Note 7 ტელეფონები ლითიუმ-იონური ხანძრის შემდეგ და იყო რამდენიმე ინციდენტი Boeing 787-ების ბატარეებთან დაკავშირებით.

ქიმია, შესრულება, ღირებულება და უსაფრთხოების მახასიათებლები განსხვავდება LIB ტიპის მიხედვით.ხელის ელექტრონიკა ძირითადად იყენებს ლითიუმ პოლიმერულ ბატარეებს (პოლიმერული გელით ელექტროლიტის სახით) ლითიუმის კობალტის ოქსიდით (LiCoO2) როგორც კათოდური მასალა, რომელიც უზრუნველყოფს ენერგიის მაღალ სიმკვრივეს, მაგრამ წარმოადგენს უსაფრთხოების რისკებს, განსაკუთრებით დაზიანებული.ლითიუმის რკინის ფოსფატი (LiFePO4), ლითიუმის მანგანუმის ოქსიდი (LiMn2O4, Li2MnO3 ან LMO) და ლითიუმის ნიკელის მანგანუმის კობალტის ოქსიდი (LiNiMnCoO2 ან NMC) გვთავაზობენ ენერგიის დაბალ სიმკვრივეს, მაგრამ ხანგრძლივ სიცოცხლეს და ხანძრის ან აფეთქების ნაკლებ ალბათობას.ასეთი ბატარეები ფართოდ გამოიყენება ელექტრო ხელსაწყოების, სამედიცინო აღჭურვილობისა და სხვა როლებისთვის.NMC და მისი წარმოებულები ფართოდ გამოიყენება ელექტრო მანქანებში.

ლითიუმ-იონური ბატარეების კვლევის სფეროები მოიცავს სიცოცხლის ხანგრძლივობის გაზრდას, ენერგიის სიმკვრივის გაზრდას, უსაფრთხოების გაუმჯობესებას, ღირებულების შემცირებას და დატენვის სიჩქარის გაზრდას, სხვათა შორის.კვლევები მიმდინარეობს არააალებადი ელექტროლიტების სფეროში, როგორც გზა გაზრდილი უსაფრთხოებისკენ, რომელიც დაფუძნებულია ტიპიურ ელექტროლიტში გამოყენებული ორგანული გამხსნელების აალებადობაზე და არასტაბილურობაზე.სტრატეგიები მოიცავს წყლის ლითიუმ-იონურ ბატარეებს, კერამიკულ მყარ ელექტროლიტებს, პოლიმერულ ელექტროლიტებს, იონურ სითხეებს და ძლიერ ფტორირებულ სისტემებს.

ბატარეა უჯრედის წინააღმდეგ

უჯრედი არის ძირითადი ელექტროქიმიური ერთეული, რომელიც შეიცავს ელექტროდებს, გამყოფს და ელექტროლიტს.

ბატარეა ან ბატარეის ნაკრები არის უჯრედების ან უჯრედების ერთობლიობა, კორპუსით, ელექტრული კავშირებით და, შესაძლოა, ელექტრონიკით კონტროლისა და დაცვისთვის.

ანოდი და კათოდური ელექტროდები
დატენვის უჯრედებისთვის ტერმინი ანოდი (ან უარყოფითი ელექტროდი) აღნიშნავს ელექტროდს, სადაც ხდება დაჟანგვა გამონადენის ციკლის დროს;მეორე ელექტროდი არის კათოდი (ან დადებითი ელექტროდი).დამუხტვის ციკლის დროს, დადებითი ელექტროდი ხდება ანოდი, ხოლო უარყოფითი ელექტროდი ხდება კათოდი.ლითიუმ-იონური უჯრედების უმეტესობისთვის ლითიუმ-ოქსიდის ელექტროდი არის დადებითი ელექტროდი;ტიტანატის ლითიუმ-იონური უჯრედებისთვის (LTO), ლითიუმ-ოქსიდის ელექტროდი არის უარყოფითი ელექტროდი.

ისტორია

ფონი

Varta ლითიუმ-იონური ბატარეა, მუზეუმის ავტოვიზია, ალტლუსჰაიმი, გერმანია
ლითიუმის ბატარეები შემოგვთავაზა ბრიტანელმა ქიმიკოსმა და 2019 წლის ნობელის პრემიის თანამიმღები ქიმიის დარგში მ. სტენლი უიტინგჰემმა, რომელიც ამჟამად ბინგჰემტონის უნივერსიტეტში მუშაობდა Exxon-ში 1970-იან წლებში.უიტინგემმა ელექტროდებად გამოიყენა ტიტანის (IV) სულფიდი და ლითიუმის ლითონი.თუმცა, ეს მრავალჯერადი ლითიუმის ბატარეა ვერასოდეს გახდება პრაქტიკული.ტიტანის დისულფიდი ცუდი არჩევანი იყო, რადგან ის უნდა იყოს სინთეზირებული მთლიანად დალუქულ პირობებში, ასევე საკმაოდ ძვირი (~ 1000$ თიტანის დისულფიდის ნედლეულისთვის 1970-იან წლებში).ჰაერის ზემოქმედებისას, ტიტანის დისულფიდი რეაგირებს და წარმოქმნის წყალბადის სულფიდურ ნაერთებს, რომლებსაც აქვთ უსიამოვნო სუნი და ტოქსიკურია ცხოველების უმეტესობისთვის.ამ და სხვა მიზეზების გამო, Exxon-მა შეწყვიტა Whittingham-ის ლითიუმ-ტიტანის დისულფიდური ბატარეის განვითარება.[28]ბატარეები მეტალის ლითიუმის ელექტროდებით წარმოადგენდნენ უსაფრთხოების პრობლემებს, რადგან ლითიუმის ლითონი რეაგირებს წყალთან და ათავისუფლებს აალებადი წყალბადის გაზს.შესაბამისად, კვლევა გადავიდა ბატარეების შემუშავებაზე, რომლებშიც მეტალის ლითიუმის ნაცვლად მხოლოდ ლითიუმის ნაერთებია წარმოდგენილი, რომლებსაც შეუძლიათ ლითიუმის იონების მიღება და გათავისუფლება.

შექცევადი ინტერკალაცია გრაფიტში და ინტერკალაცია კათოდური ოქსიდებში აღმოაჩინა 1974–76 წლებში ჯო ბეზენჰარდმა TU მიუნხენისში.ბეზენჰარდმა შესთავაზა მისი გამოყენება ლითიუმის უჯრედებში.ელექტროლიტების დაშლა და გამხსნელის ერთობლივი ჩარევა გრაფიტში ბატარეის მუშაობის ადრეული სერიოზული ნაკლი იყო.

განვითარება

1973 - ადამ ჰელერმა შესთავაზა ლითიუმის თიონილ ქლორიდის ბატარეა, რომელიც ჯერ კიდევ გამოიყენება იმპლანტირებული სამედიცინო მოწყობილობებში და თავდაცვის სისტემებში, სადაც საჭიროა 20 წელზე მეტი შენახვის ვადა, მაღალი ენერგიის სიმკვრივე და/ან ტოლერანტობა ექსტრემალური სამუშაო ტემპერატურის მიმართ.
1977 - სამარ ბასუმ აჩვენა ლითიუმის ელექტროქიმიური ჩარევა გრაფიტში პენსილვანიის უნივერსიტეტში.ამან განაპირობა შრომატევადი ლითიუმთან დაკავშირებული გრაფიტის ელექტროდის განვითარება Bell Labs-ში (LiC6), რათა უზრუნველყოს ლითიუმის ლითონის ელექტროდის ბატარეის ალტერნატივა.
1979 წელი - ცალკეულ ჯგუფებში მუშაობით, ნედ ა. გოდშალმა და სხვებმა, და ცოტა ხნის შემდეგ, ჯონ ბ. გუდენოგმა (ოქსფორდის უნივერსიტეტი) და კოიჩი მიზუშიმამ (ტოკიოს უნივერსიტეტი) აჩვენეს დატენვის ლითიუმის უჯრედი ძაბვით 4 ვ დიაპაზონში ლითიუმის გამოყენებით. კობალტის დიოქსიდი (LiCoO2) როგორც დადებითი ელექტროდი და ლითიუმის მეტალი, როგორც უარყოფითი ელექტროდი.ამ ინოვაციამ უზრუნველყო პოზიტიური ელექტროდი მასალა, რამაც საშუალება მისცა ადრეული კომერციული ლითიუმის ბატარეები.LiCoO2 არის სტაბილური პოზიტიური ელექტროდი მასალა, რომელიც მოქმედებს როგორც ლითიუმის იონების დონორი, რაც ნიშნავს, რომ ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას უარყოფით ელექტროდის მასალასთან, გარდა ლითიუმის ლითონისა.სტაბილური და ადვილად დასამუშავებელი ნეგატიური ელექტროდის მასალების გამოყენების ჩართვით, LiCoO2-მა ჩართო ახალი დატენვის ბატარეის სისტემები.გოდშალი და სხვ.შემდგომში გამოვლინდა ლითიუმის გარდამავალი ლითონის ოქსიდების სამი ნაერთის მსგავსი მნიშვნელობა, როგორიცაა სპინელი LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 და LiFe5O4 (და მოგვიანებით ლითიუმ-სპილენძის ოქსიდი და ლითიუმ-ნიკელ-ოქსიდის კათოდური მასალები 19-ში)
1980 წელი - რაჩიდ იაზამიმ აჩვენა ლითიუმის შექცევადი ელექტროქიმიური ჩარევა გრაფიტში და გამოიგონა ლითიუმის გრაფიტის ელექტროდი (ანოდი).იმ დროს არსებული ორგანული ელექტროლიტები იშლება გრაფიტის უარყოფითი ელექტროდით დამუხტვის დროს.იაზამიმ გამოიყენა მყარი ელექტროლიტი იმის დემონსტრირებისთვის, რომ ლითიუმი შეიძლება შექცევადად ჩაერთოს გრაფიტში ელექტროქიმიური მექანიზმის საშუალებით.2011 წლის მონაცემებით, Yazami-ს გრაფიტის ელექტროდი იყო ყველაზე ხშირად გამოყენებული ელექტროდი კომერციულ ლითიუმ-იონურ ბატარეებში.
უარყოფითი ელექტროდი სათავეს იღებს PAS-ში (პოლიაცენური ნახევარგამტარული მასალა), რომელიც აღმოაჩინა ტოკიო იამაბემ და მოგვიანებით შჯზუკუნი იატამ 1980-იანი წლების დასაწყისში.ამ ტექნოლოგიის საფუძველი იყო პროფესორ ჰიდეკი შირაკავას და მისი ჯგუფის მიერ გამტარ პოლიმერების აღმოჩენა, და ასევე შეიძლება ჩაითვალოს, რომ იგი დაიწყო ალან მაკდიარმიდის და ალან ჯ. ჰეგერის და სხვების მიერ შემუშავებული პოლიაცეტილენის ლითიუმის იონური ბატარეიდან.
1982 – გოდშალი და სხვ.მიენიჭა აშშ-ს პატენტი 4,340,652 LiCoO2-ის კათოდებად გამოყენებისთვის ლითიუმის ბატარეებში, გოდშალის სტენფორდის უნივერსიტეტის დოქტორის საფუძველზე.დისერტაცია და 1979 წლის გამოცემები.
1983 - მაიკლ მ. თეკერეიმ, პიტერ ბრიუსმა, უილიამ დევიდმა და ჯონ გუდენაუმ შეიმუშავეს მანგანუმის სპინელი, როგორც კომერციულად შესაბამისი დამუხტული კათოდური მასალა ლითიუმ-იონური ბატარეებისთვის.
1985 წელი - აკირა იოშინომ შეკრიბა უჯრედის პროტოტიპი ნახშირბადოვანი მასალის გამოყენებით, რომელშიც ლითიუმის იონები შეიძლება ჩაესვათ როგორც ერთი ელექტროდი, ხოლო ლითიუმის კობალტის ოქსიდი (LiCoO2), როგორც მეორე.ამან მკვეთრად გააუმჯობესა უსაფრთხოება.LiCoO2-მა ჩართო სამრეწველო მასშტაბის წარმოება და ჩართო კომერციული ლითიუმ-იონური ბატარეა.
1989 წელი – არუმუგამ მანტირამმა და ჯონ ბ. გუდენოგმა აღმოაჩინეს კათოდების პოლიანიონის კლასი.მათ აჩვენეს, რომ პოლიანიონის შემცველი დადებითი ელექტროდები, მაგ. სულფატები, აწარმოებენ უფრო მაღალ ძაბვას, ვიდრე ოქსიდები, პოლიანიონის ინდუქციური ეფექტის გამო.ეს პოლიანიონის კლასი შეიცავს მასალებს, როგორიცაა ლითიუმის რკინის ფოსფატი.

<გაგრძელება...>