Litio-jona baterio aŭ Li-jona baterio (mallongigita kiel LIB) estas speco de reŝargebla baterio.Litio-jonaj baterioj estas ofte uzitaj por portebla elektroniko kaj elektraj veturiloj kaj kreskas en populareco por armeaj kaj aerspacaj aplikoj.Prototipa Li-jona baterio estis evoluigita fare de Akira Yoshino en 1985, surbaze de pli frua esplorado de John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami kaj Koichi Mizushima dum la 1970-aj-1980-aj jaroj, kaj tiam komerca Li-jona baterio estis evoluigita per Sony kaj Asahi Kasei-teamo gvidita de Yoshio Nishi en 1991. En 2019, La Nobel-premio pri Kemio ricevis al Yoshino, Goodenough, kaj Whittingham "por la disvolviĝo de litiojonaj kuirilaroj".

En la baterioj, litiojonoj moviĝas de la negativa elektrodo tra elektrolito al la pozitiva elektrodo dum malŝarĝo, kaj reen dum ŝargado.Li-jonaj baterioj utiligas interkalitan litian kunmetaĵon kiel la materialon ĉe la pozitiva elektrodo kaj tipe grafiton ĉe la negativa elektrodo.La kuirilaroj havas altan energian densecon, neniun memorefikon (krom LFP-ĉeloj) kaj malaltan mem-malŝarĝon.Ili povas tamen esti sekureca danĝero ĉar ili enhavas brulemajn elektrolitojn, kaj se difektitaj aŭ malĝuste ŝargitaj povas kaŭzi eksplodojn kaj fajrojn.Samsung estis devigita revoki Galaxy Note 7-teniloj post litiojonaj fajroj, kaj okazis pluraj okazaĵoj implikantaj bateriojn sur Boeing 787s.

Kemio, efikeco, kosto kaj sekureckarakterizaĵoj varias laŭ LIB-tipoj.Mantenebla elektroniko plejparte uzas litiajn polimerajn bateriojn (kun polimerĝelo kiel elektrolito) kun litia kobalta rusto (LiCoO2) kiel katodmaterialo, kiu ofertas altan energidensecon, sed prezentas sekurecajn riskojn, precipe kiam difektite.Litia ferfosfato (LiFePO4), litia manganoksido (LiMn2O4, Li2MnO3, aŭ LMO), kaj litia nikela mangana kobaltoksido (LiNiMnCoO2 aŭ NMC) ofertas pli malaltan energidensecon sed pli longajn vivojn kaj malpli verŝajnecon de fajro aŭ eksplodo.Tiaj baterioj estas vaste uzataj por elektraj iloj, medicinaj ekipaĵoj kaj aliaj roloj.NMC kaj ĝiaj derivaĵoj estas vaste uzitaj en elektraj aŭtomobiloj.

Esploraj areoj por litio-jonaj kuirilaroj inkluzivas plilongigi vivdaŭron, pliigi energian densecon, plibonigi sekurecon, redukti koston kaj pliigi ŝargan rapidecon, inter aliaj.Esplorado estis survoje en la areo de ne-flamemaj elektrolitoj kiel vojo al pliigita sekureco bazita sur la flamiĝemo kaj volatilo de la organikaj solviloj uzitaj en la tipa elektrolito.Strategioj inkluzivas akvajn litijonajn bateriojn, ceramikajn solidajn elektrolitojn, polimerelektrolitojn, jonikajn likvaĵojn kaj tre fluorigitajn sistemojn.

Baterio kontraŭ ĉelo

Ĉelo estas baza elektrokemia unuo kiu enhavas la elektrodojn, apartigilon kaj elektroliton.

Baterio aŭ bateripakaĵo estas kolekto de ĉeloj aŭ ĉelaj asembleoj, kun loĝado, elektraj konektoj, kaj eventuale elektroniko por kontrolo kaj protekto.

Anodaj kaj katodaj elektrodoj
Por reŝargeblaj ĉeloj, la esprimo anodo (aŭ negativa elektrodo) indikas la elektrodon kie oksigenado okazas dum la senŝargiĝciklo;la alia elektrodo estas la katodo (aŭ pozitiva elektrodo).Dum la ŝargciklo, la pozitiva elektrodo iĝas la anodo kaj la negativa elektrodo iĝas la katodo.Por la plej multaj litijonaj ĉeloj, la litiooksida elektrodo estas la pozitiva elektrodo;por titanaj litijonaj ĉeloj (LTO), la litia-oksida elektrodo estas la negativa elektrodo.

Historio

Fono

Varta litiojona baterio, Museum Autovision, Altlussheim, Germanio
Litio-kuirilaroj estis proponitaj de brita kemiisto kaj kunricevanto de la 2019-datita nobelpremio por kemio M. Stanley Whittingham, nun en Binghamton University, dum ĝi laboris por Exxon en la 1970-aj jaroj.Whittingham utiligis titanan (IV) sulfidon kaj litian metalon kiel la elektrodojn.Tamen, ĉi tiu reŝargebla litia baterio neniam povus fariĝi praktika.Titana disulfido estis malbona elekto, ĉar ĝi devas esti sintezita sub tute hermetikaj kondiĉoj, ankaŭ estante tre multekosta (~ 1,000 USD je kilogramo por titandisulfida krudaĵo en 1970-aj jaroj).Se eksponita al aero, titana disulfido reagas por formi hidrogensulfidajn komponaĵojn, kiuj havas malagrablan odoron kaj estas toksaj por la plej multaj bestoj.Pro tio, kaj aliaj kialoj, Exxon ĉesigis evoluon de la litio-titania disulfidbaterio de Whittingham.[28]Baterioj kun metalaj litiaj elektrodoj prezentis sekurecproblemojn, ĉar litia metalo reagas kun akvo, liberigante bruleman hidrogengason.Sekve, esplorado moviĝis por evoluigi bateriojn en kiuj, anstataŭ metala litio, nur litiaj kunmetaĵoj ĉeestas, povante akcepti kaj liberigi litijonojn.

Inversigebla interkalado en grafito kaj interkalado en katodajn oksidojn estis malkovritaj dum 1974–76 fare de JO Besenhard ĉe TU Munkeno.Besenhard proponis ĝian aplikon en litiaj ĉeloj.Elektrolitputriĝo kaj solva kuninterkalado en grafiton estis severaj fruaj malavantaĝoj por baterivivo.

Evoluo

1973 - Adam Heller proponis la litian tionilklorurbaterion, daŭre uzitan en enplantitaj medicinaj aparatoj kaj en defendaj sistemoj kie pli granda ol 20-jara konservodaŭro, alta energidenseco, kaj/aŭ toleremo por ekstremaj funkciigadtemperaturoj estas postulataj.
1977 - Samar Basu montris elektrokemian interkaladon de litio en grafito ĉe la Universitato de Pensilvanio.Tio kaŭzis la evoluon de realigebla litio interkalita grafitelektrodo ĉe Bell Labs (LiC6) por disponigi alternativon al la litiometala elektrodbaterio.
1979 - Laborante en apartaj grupoj, Ned A. Godshall et al., kaj, baldaŭ poste, John B. Goodenough (Oxford University) kaj Koichi Mizushima (Tokyo University), montris ŝargeblan litioĉelon kun tensio en la 4 V-intervalo uzante lition. kobalta dioksido (LiCoO2) kiel la pozitiva elektrodo kaj litia metalo kiel la negativa elektrodo.Tiu novigado disponigis la pozitivan elektrodmaterialon kiu ebligis fruajn komercajn litiajn bateriojn.LiCoO2 estas stabila pozitiva elektrodmaterialo kiu funkcias kiel organdonacanto de litiojonoj, kio signifas ke ĝi povas esti uzita kun negativa elektrodmaterialo krom litia metalo.Ebligante la uzon de stabilaj kaj facile manipuleblaj negativaj elektrodaj materialoj, LiCoO2 ebligis novajn reŝargeblajn bateriosistemojn.Godshall et al.plue identigis la similan valoron de ternaraj kunmetitaj litio-transiraj metaloksidoj kiel ekzemple la spinelo LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, kaj LiFe5O4 (kaj poste litio-kupro-oksido kaj litio-nikel-oksidaj katodaj materialoj en 1985)
1980 - Rachid Yazami montris la reigeblan elektrokemian interkruciĝon de litio en grafito, kaj inventis la litian grafitelektrodon (anodo).La organikaj elektrolitoj disponeblaj tiutempe putriĝos dum ŝargado per grafita negativa elektrodo.Yazami uzis solidan elektroliton por montri ke litio povus esti reigeble interkalita en grafito tra elektrokemia mekanismo.Aktuale en 2011, la grafitelektrodo de Yazami estis la plej ofte uzita elektrodo en komercaj litijonaj baterioj.
La negativa elektrodo havas siajn originojn en PAS (poliacena duonkondukta materialo) malkovrita fare de Tokio Yamabe kaj poste de Shjzukuni Yata en la fruaj 1980-aj jaroj.La semo de tiu teknologio estis la eltrovo de konduktaj polimeroj de profesoro Hideki Shirakawa kaj lia grupo, kaj ĝi ankaŭ povus esti vidita kiel komenciĝis de la poliacetilena litiojonbaterio evoluigita fare de Alan MacDiarmid kaj Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.estis aljuĝitaj usona Patento 4,340,652 por la uzo de LiCoO2 kiel katodoj en litiaj baterioj, surbaze de la Universitato Stanford Ph.D de Godshall.disertaĵo kaj 1979 publikaĵoj.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, kaj John Goodenough evoluigis manganspinelon kiel komerce signifa ŝarĝita katodmaterialo por litijonaj baterioj.
1985 - Akira Yoshino kunvenis prototipĉelon uzante karbonan materialon en kiun litiojonoj povus esti enigitaj kiel unu elektrodo, kaj litian kobaltoksidon (LiCoO2) kiel la aliaj.Ĉi tio draste plibonigis sekurecon.LiCoO2 ebligis industriskalan produktadon kaj ebligis la komercan litijonan baterion.
1989 - Arumugam Manthiram kaj John B. Goodenough malkovris la polianionklason de katodoj.Ili montris, ke pozitivaj elektrodoj enhavantaj polianionojn, ekz. sulfatojn, produktas pli altajn tensiojn ol oksidoj pro la indukta efiko de la polianjono.Tiu polianionklaso enhavas materialojn kiel ekzemple litia ferfosfato.

<daŭrigo...>