Litija jonu akumulators vai litija jonu akumulators (saīsināts kā LIB) ir uzlādējama akumulatora veids.Litija jonu akumulatorus parasti izmanto pārnēsājamos elektronikas un elektriskajos transportlīdzekļos, un to popularitāte pieaug militāriem un kosmosa lietojumiem.Litija jonu akumulatora prototipu 1985. gadā izstrādāja Akira Yoshino, pamatojoties uz Džona Gudena, M. Stenlija Vitingema, Rahida Jazami un Koiči Mizušimas pētījumiem 1970.–1980. gados, un pēc tam komerciālu litija jonu akumulatoru izstrādāja Sony un Asahi Kasei komanda, kuru vadīja Jošio Niši 1991. gadā. 2019. gadā Nobela prēmija ķīmijā tika piešķirta Jošino, Gudenau un Vitingemai “par litija jonu akumulatoru izstrādi”.

Baterijās litija joni pārvietojas no negatīvā elektroda caur elektrolītu uz pozitīvo elektrodu izlādes laikā un atpakaļ lādēšanas laikā.Litija jonu baterijās kā materiāls pie pozitīvā elektroda tiek izmantots interkalēts litija savienojums, bet negatīvajā elektrodā parasti ir grafīts.Baterijām ir augsts enerģijas blīvums, nav atmiņas efekta (izņemot LFP šūnas) un zema pašizlāde.Tomēr tie var apdraudēt drošību, jo satur viegli uzliesmojošus elektrolītus un, ja tie ir bojāti vai nepareizi uzlādēti, var izraisīt sprādzienus un ugunsgrēkus.Samsung bija spiests atsaukt Galaxy Note 7 tālruņus pēc litija jonu ugunsgrēkiem, un ir bijuši vairāki incidenti, kas saistīti ar Boeing 787 akumulatoriem.

Ķīmija, veiktspēja, izmaksas un drošības raksturlielumi dažādiem LIB tipiem atšķiras.Rokas elektronika pārsvarā izmanto litija polimēru baterijas (ar polimēru gēlu kā elektrolītu) ar litija kobalta oksīdu (LiCoO2) kā katoda materiālu, kas nodrošina augstu enerģijas blīvumu, taču rada drošības riskus, jo īpaši, ja tie ir bojāti.Litija dzelzs fosfāts (LiFePO4), litija mangāna oksīds (LiMn2O4, Li2MnO3 vai LMO) un litija niķeļa mangāna kobalta oksīds (LiNiMnCoO2 vai NMC) nodrošina zemāku enerģijas blīvumu, bet ilgāku kalpošanas laiku un mazāku aizdegšanās vai eksplozijas iespējamību.Šādas baterijas plaši izmanto elektriskajiem instrumentiem, medicīnas iekārtām un citām lomām.NMC un tā atvasinājumi tiek plaši izmantoti elektriskajos transportlīdzekļos.

Litija jonu akumulatoru pētniecības jomas cita starpā ietver kalpošanas laika pagarināšanu, enerģijas blīvuma palielināšanu, drošības uzlabošanu, izmaksu samazināšanu un uzlādes ātruma palielināšanu.Ir veikti pētījumi par neuzliesmojošu elektrolītu jomā kā ceļu uz paaugstinātu drošību, pamatojoties uz tipiskajos elektrolītos izmantoto organisko šķīdinātāju uzliesmojamību un nepastāvību.Stratēģijās ietilpst litija jonu ūdens baterijas, keramikas cietie elektrolīti, polimēru elektrolīti, jonu šķidrumi un stipri fluorētas sistēmas.

Akumulators pret šūnu

Šūna ir pamata elektroķīmiskā vienība, kas satur elektrodus, separatoru un elektrolītu.

Akumulators vai bateriju komplekts ir šūnu vai elementu komplektu kopums ar korpusu, elektriskiem savienojumiem un, iespējams, elektroniku kontrolei un aizsardzībai.

Anoda un katoda elektrodi
Uzlādējamām šūnām termins anods (vai negatīvais elektrods) apzīmē elektrodu, kurā izlādes cikla laikā notiek oksidēšanās;otrs elektrods ir katods (vai pozitīvais elektrods).Uzlādes cikla laikā pozitīvais elektrods kļūst par anodu, bet negatīvais elektrods kļūst par katodu.Lielākajai daļai litija jonu elementu litija oksīda elektrods ir pozitīvais elektrods;titanāta litija jonu elementiem (LTO) litija oksīda elektrods ir negatīvais elektrods.

Vēsture

Fons

Varta litija jonu akumulators, Museum Autovision, Altlussheim, Vācija
Litija baterijas ierosināja britu ķīmiķis un 2019. gada Nobela prēmijas ķīmijā līdzsaņēmējs M. Stenlijs Vitingems, kurš tagad mācās Binghemtonas universitātē, 1970. gados strādājot uzņēmumā Exxon.Vitingema kā elektrodus izmantoja titāna (IV) sulfīdu un litija metālu.Tomēr šo uzlādējamo litija akumulatoru nekad nevarēja padarīt praktisku.Titāna disulfīds bija slikta izvēle, jo tas ir jāsintezē pilnībā noslēgtos apstākļos, turklāt tas ir diezgan dārgs (~1000 USD par kilogramu par titāna disulfīda izejvielu 1970. gados).Saskaroties ar gaisu, titāna disulfīds reaģē, veidojot sērūdeņraža savienojumus, kam ir nepatīkama smaka un kas ir toksiski lielākajai daļai dzīvnieku.Šī un citu iemeslu dēļ Exxon pārtrauca Vitingemas litija-titāna disulfīda akumulatora izstrādi.[28]Baterijas ar metāliskiem litija elektrodiem radīja drošības problēmas, jo litija metāls reaģē ar ūdeni, izdalot uzliesmojošu ūdeņraža gāzi.Līdz ar to pētījumi virzījās uz tādu akumulatoru izstrādi, kuros metāliskā litija vietā ir tikai litija savienojumi, kas spēj uzņemt un atbrīvot litija jonus.

Atgriezenisku interkalāciju grafītā un interkalāciju katoda oksīdos 1974.–1976. gadā atklāja JO Besenhards TU Minhenē.Besenhards ierosināja to izmantot litija šūnās.Elektrolītu sadalīšanās un šķīdinātāja mijiedarbība grafītā bija nopietni agrīni akumulatora darbības laika trūkumi.

Attīstība

1973. gads – Ādams Hellers ierosināja litija tionilhlorīda akumulatoru, ko joprojām izmanto implantētās medicīnas ierīcēs un aizsardzības sistēmās, kur nepieciešams ilgāks par 20 gadu glabāšanas laiks, augsts enerģijas blīvums un/vai tolerance pret ekstremālām darba temperatūrām.
1977. gads - Samars Basu Pensilvānijas universitātē demonstrē litija elektroķīmisko interkalāciju grafītā.Tā rezultātā uzņēmumā Bell Labs (LiC6) tika izstrādāts funkcionāls litija interkalēts grafīta elektrods, lai nodrošinātu alternatīvu litija metāla elektrodu akumulatoram.
1979. gads — strādājot atsevišķās grupās, Neds A. Godšals et al. un neilgi pēc tam Džons B. Gudenafs (Oksfordas Universitāte) un Koiči Mizušima (Tokijas universitāte) demonstrē uzlādējamu litija elementu ar spriegumu 4 V diapazonā, izmantojot litiju. kobalta dioksīds (LiCoO2) kā pozitīvais elektrods un litija metāls kā negatīvais elektrods.Šis jauninājums nodrošināja pozitīvo elektrodu materiālu, kas ļāva izmantot agrīnās komerciālās litija baterijas.LiCoO2 ir stabils pozitīvs elektrodu materiāls, kas darbojas kā litija jonu donors, kas nozīmē, ka to var izmantot ar negatīvu elektrodu materiālu, kas nav litija metāls.Ļaujot izmantot stabilus un viegli apstrādājamus negatīvo elektrodu materiālus, LiCoO2 iespējoja jaunas uzlādējamu akumulatoru sistēmas.Godshall et al.tālāk identificēja līdzīgu trīskāršo savienojumu litija pārejas metālu oksīdu vērtību, piemēram, spineli LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 un LiFe5O4 (un vēlāk litija-vara oksīda un litija-niķeļa-oksīda katoda materiālus 1985. gadā).
1980. gads — Rahids Jazami demonstrē litija atgriezenisku elektroķīmisko interkalāciju grafītā un izgudroja litija grafīta elektrodu (anodu).Tajā brīdī pieejamie organiskie elektrolīti sadalās uzlādes laikā ar grafīta negatīvu elektrodu.Yazami izmantoja cietu elektrolītu, lai pierādītu, ka litijs var tikt atgriezeniski interkalēts grafītā, izmantojot elektroķīmisku mehānismu.No 2011. gada Yazami grafīta elektrods bija visbiežāk izmantotais elektrods komerciālajās litija jonu baterijās.
Negatīvā elektroda izcelsme ir PAS (poliacēnu pusvadītāju materiāls), ko atklāja Tokio Yamabe un vēlāk Shjzukuni Yata 1980. gadu sākumā.Šīs tehnoloģijas pamats bija profesora Hideki Širakava un viņa grupas atklājums vadošos polimēros, un to varēja uzskatīt arī par tādu, kas sākās no poliacetilēna litija jonu akumulatora, ko izstrādājuši Alans Makdiarmids un Alans J. Hēgers et al.
1982. gads – Godshall et al.tika piešķirts ASV patents 4 340 652 par LiCoO2 izmantošanu kā katodu litija baterijās, pamatojoties uz Godšala Stenfordas universitātes Ph.D.disertācija un 1979. gada publikācijas.
1983. gads — Maikls M. Tekerejs, Pīters Brūss, Viljams Deivids un Džons Gudeno izstrādāja mangāna spineli kā komerciāli piemērotu lādētu katoda materiālu litija jonu akumulatoriem.
1985. gads — Akira Jošino samontēja šūnas prototipu, izmantojot oglekli saturošu materiālu, kurā kā vienu elektrodu varēja ievietot litija jonus un kā otru – litija kobalta oksīdu (LiCoO2).Tas ievērojami uzlaboja drošību.LiCoO2 nodrošināja rūpnieciska mēroga ražošanu un ļāva komerciāli ražot litija jonu akumulatoru.
1989. gads — Arumugams Mantirams un Džons B. Gudena atklāja katodu polianjonu klasi.Viņi parādīja, ka pozitīvie elektrodi, kas satur polianjonus, piemēram, sulfātus, polianjona induktīvās iedarbības dēļ rada lielāku spriegumu nekā oksīdi.Šī polianjonu klase satur tādus materiālus kā litija dzelzs fosfāts.

<turpinājums...>