Lityum-ion batareyasi yoki Li-ion batareyasi (qisqartirilgan LIB) qayta zaryadlanuvchi batareyaning bir turidir.Lityum-ion batareyalar odatda portativ elektronika va elektr transport vositalari uchun ishlatiladi va harbiy va aerokosmik ilovalar uchun mashhurlik ortib bormoqda.Li-ion batareyasi prototipi 1985-yilda Akira Yoshino tomonidan Jon Gudenof, M. Stenli Uittingem, Rachid Yazami va Koichi Mizushima tomonidan 1970-1980 yillarda olib borilgan tadqiqotlar asosida ishlab chiqilgan, keyin esa tijorat Li-ion batareyasi 1991-yilda Yoshio Nishi boshchiligidagi Sony va Asahi Kasei jamoasi. 2019-yilda Kimyo bo‘yicha Nobel mukofoti Yoshino, Gudenof va Uittingemga “litiy-ionli batareyalarni ishlab chiqish uchun” berildi.

Batareyalarda litiy ionlari zaryadsizlanish vaqtida manfiy elektroddan elektrolit orqali musbat elektrodga, zaryad olayotganda esa orqaga o'tadi.Li-ion batareyalari musbat elektrodda material sifatida interkalatsiyalangan lityum birikmasidan va odatda salbiy elektrodda grafitdan foydalanadi.Batareyalar yuqori energiya zichligiga ega, xotira effekti yo'q (LFP hujayralaridan tashqari) va kam o'z-o'zidan zaryadsizlanishi.Biroq ular xavfsizlik uchun xavfli bo'lishi mumkin, chunki ular yonuvchan elektrolitlarni o'z ichiga oladi va shikastlangan yoki noto'g'ri zaryadlangan bo'lsa, portlash va yong'inga olib kelishi mumkin.Samsung kompaniyasi litiy-ionli yong‘inlar natijasida Galaxy Note 7 telefonlarini qaytarib olishga majbur bo‘ldi va Boeing 787 samolyotlarida akkumulyatorlar bilan bog‘liq bir qancha voqealar sodir bo‘ldi.

Kimyo, unumdorlik, narx va xavfsizlik xususiyatlari LIB turlari bo'yicha farqlanadi.Qo'l elektronikasi asosan katod materiali sifatida lityum kobalt oksidi (LiCoO2) bo'lgan lityum polimer batareyalardan (elektrolit sifatida polimer gel bilan) foydalanadi, bu yuqori energiya zichligini ta'minlaydi, lekin ayniqsa shikastlanganda xavfsizlik uchun xavf tug'diradi.Lityum temir fosfat (LiFePO4), litiy marganets oksidi (LiMn2O4, Li2MnO3 yoki LMO) va lityum nikel marganets kobalt oksidi (LiNiMnCoO2 yoki NMC) kamroq energiya zichligini taklif qiladi, ammo uzoq umr va yong'in yoki portlash ehtimoli kamroq.Bunday batareyalar elektr asboblari, tibbiy asbob-uskunalar va boshqa rollar uchun keng qo'llaniladi.NMC va uning hosilalari elektr transport vositalarida keng qo'llaniladi.

Lityum-ion batareyalar uchun tadqiqot yo'nalishlari xizmat muddatini uzaytirish, energiya zichligini oshirish, xavfsizlikni yaxshilash, xarajatlarni kamaytirish va zaryadlash tezligini oshirish va boshqalarni o'z ichiga oladi.Odatda elektrolitda ishlatiladigan organik erituvchilarning yonuvchanligi va uchuvchanligiga asoslangan xavfsizlikni oshirish yo'li sifatida yonmaydigan elektrolitlar sohasida tadqiqotlar olib borilmoqda.Strategiyalarga suvli litiy-ion batareyalar, keramik qattiq elektrolitlar, polimer elektrolitlar, ionli suyuqliklar va kuchli ftorli tizimlar kiradi.

Batareya va hujayra

Hujayra elektrodlar, ajratuvchi va elektrolitlarni o'z ichiga olgan asosiy elektrokimyoviy birlikdir.

Batareya yoki batareya to'plami - bu boshqaruv va himoya qilish uchun korpus, elektr ulanishlari va ehtimol elektronikaga ega bo'lgan hujayralar yoki hujayralar yig'indisi.

Anod va katod elektrodlari
Zaryadlanuvchi hujayralar uchun anod (yoki salbiy elektrod) atamasi deşarj davrida oksidlanish sodir bo'ladigan elektrodni bildiradi;boshqa elektrod - katod (yoki musbat elektrod).Zaryadlanish davrida musbat elektrod anodga, manfiy elektrod esa katodga aylanadi.Ko'pgina lityum-ionli hujayralar uchun lityum-oksid elektrod musbat elektroddir;titanat litiy-ion hujayralari (LTO) uchun lityum-oksid elektrod salbiy elektrod hisoblanadi.

Tarix

Fon

Varta lityum-ion batareyasi, Autovision muzeyi, Altlussheim, Germaniya
Lityum batareyalar britaniyalik kimyogari va kimyo bo'yicha 2019 yilgi Nobel mukofoti sovrindori M. Stenli Uittingem tomonidan hozirda Binghamton universitetida 1970-yillarda Exxon kompaniyasida ishlayotgan paytda taklif qilingan.Uittingem elektrodlar sifatida titan (IV) sulfid va lityum metalldan foydalangan.Biroq, bu qayta zaryadlanuvchi lityum batareyani hech qachon amaliy qilib bo'lmaydi.Titan disulfidi noto'g'ri tanlov edi, chunki uni to'liq yopiq sharoitda sintez qilish kerak edi, shuningdek, juda qimmat (1970-yillarda titan disulfidi xom ashyosi uchun kilogramm uchun ~ 1000 dollar).Havoga ta'sir qilganda, titanium disulfidi vodorod sulfidi birikmalarini hosil qilish uchun reaksiyaga kirishadi, ular yoqimsiz hidga ega va ko'pchilik hayvonlar uchun zaharli hisoblanadi.Shu va boshqa sabablarga ko'ra Exxon Whittinghamning litiy-titan disulfid batareyasini ishlab chiqishni to'xtatdi.[28]Metall lityum elektrodli batareyalar xavfsizlik muammolarini keltirib chiqardi, chunki lityum metall suv bilan reaksiyaga kirishib, yonuvchi vodorod gazini chiqaradi.Natijada, izlanishlar metall lityum o'rniga faqat litiy ionlarini qabul qilish va chiqarishga qodir bo'lgan lityum birikmalari mavjud bo'lgan batareyalarni ishlab chiqishga o'tdi.

Grafitdagi teskari interkalatsiya va katod oksidlarga interkalatsiya 1974-76 yillarda TU Myunxenda JO Besenxard tomonidan kashf etilgan.Besenxard uni litiy hujayralarida qo'llashni taklif qildi.Elektrolitlarning parchalanishi va erituvchining grafitga ko-interkalatsiyasi batareyaning ishlash muddati uchun jiddiy kamchiliklar edi.

Rivojlanish

1973 yil - Adam Xeller implantatsiya qilingan tibbiy asboblarda va 20 yildan ortiq saqlash muddati, yuqori energiya zichligi va / yoki haddan tashqari ish haroratiga bardoshlik talab qilinadigan mudofaa tizimlarida qo'llaniladigan lityum tionilxlorid batareyasini taklif qildi.
1977 yil - Samar Basu Pensilvaniya universitetida grafitdagi lityumning elektrokimyoviy interkalatsiyasini namoyish etdi.Bu Bell Labs (LiC6) da lityum metall elektrod akkumulyatoriga muqobil taqdim etish uchun ishlaydigan lityum interkalatsiyalangan grafit elektrodini ishlab chiqishga olib keldi.
1979 yil - Alohida guruhlarda ishlagan Ned A. Godshall va boshqalar, va ko'p o'tmay, Jon B. Gudenough (Oksford universiteti) va Koichi Mizushima (Tokio universiteti) lityum yordamida 4 V diapazonida kuchlanish bilan qayta zaryadlanuvchi lityum xujayrasini namoyish etdilar. musbat elektrod sifatida kobalt dioksidi (LiCoO2) va salbiy elektrod sifatida lityum metall.Ushbu yangilik dastlabki tijorat lityum batareyalarini ishga tushiradigan ijobiy elektrod materialini taqdim etdi.LiCoO2 barqaror musbat elektrod materiali bo'lib, litiy ionlarining donori vazifasini bajaradi, ya'ni uni lityum metalldan boshqa salbiy elektrod materiali bilan ishlatish mumkin.Barqaror va oson ishlov beriladigan salbiy elektrod materiallaridan foydalanishni ta'minlash orqali LiCoO2 yangi qayta zaryadlanuvchi batareya tizimlarini faollashtirdi.Godshall va boshqalar.shpinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 va LiFe5O4 (va keyinchalik litiy-mis-oksid va litiy-nikel-oksid katod materiallari) kabi uchlik birikma litiy-o'tish metall-oksidlarining o'xshash qiymatini aniqladi.
1980 yil - Rachid Yazami grafitdagi lityumning teskari elektrokimyoviy interkalatsiyasini namoyish etdi va lityum grafit elektrodini (anod) ixtiro qildi.O'sha paytda mavjud bo'lgan organik elektrolitlar grafit manfiy elektrod bilan zaryadlanganda parchalanadi.Yazami litiyni elektrokimyoviy mexanizm orqali grafitda teskari ravishda interkalatsiyalanishi mumkinligini ko'rsatish uchun qattiq elektrolitdan foydalangan.2011 yildan boshlab Yazamining grafit elektrodi tijorat lityum-ion batareyalarida eng ko'p ishlatiladigan elektrod edi.
Salbiy elektrod 1980-yillarning boshlarida Tokio Yamabe va keyinchalik Shjzukuni Yata tomonidan kashf etilgan PAS (poliatsenik yarim o'tkazuvchan material) dan kelib chiqqan.Ushbu texnologiyaning urug'i professor Xideki Shirakava va uning guruhi tomonidan o'tkazuvchan polimerlarni kashf qilish edi va u Alan MacDiarmid va Alan J. Heeger va boshqalar tomonidan ishlab chiqilgan poliasetilen lityum ion batareyasidan boshlangan deb ham ko'rish mumkin.
1982 yil - Godshall va boshqalar.lityum batareyalarda katod sifatida LiCoO2 dan foydalanish uchun AQSH patenti 4 340 652 boʻldi, Godshall Stenford universiteti fanlari nomzodi.dissertatsiyasi va 1979 yil nashrlari.
1983 yil - Maykl M. Tekerey, Piter Bryus, Uilyam Devid va Jon Gudenof litiy-ionli batareyalar uchun tijoriy ahamiyatga ega zaryadlangan katod materiali sifatida marganets shpinelini ishlab chiqdilar.
1985 yil - Akira Yoshino bitta elektrod sifatida litiy ionlarini va ikkinchi elektrod sifatida lityum kobalt oksidini (LiCoO2) kiritish mumkin bo'lgan karbonli materialdan foydalangan holda prototipli hujayrani yig'di.Bu xavfsizlikni keskin oshirdi.LiCoO2 sanoat miqyosida ishlab chiqarishni ta'minladi va tijorat lityum-ion batareyasini ishga tushirdi.
1989 yil - Arumugam Manthiram va Jon B. Gudenough katodlarning polianion sinfini kashf etdi.Ular polianionlarni, masalan, sulfatlarni o'z ichiga olgan musbat elektrodlar polianionning induktiv ta'siri tufayli oksidlarga qaraganda yuqori kuchlanish hosil qilishini ko'rsatdi.Ushbu polianion sinfida lityum temir fosfat kabi materiallar mavjud.

<davomi bor…>