Літый-іённы акумулятар або літый-іённы акумулятар (скарочана LIB) - гэта тып акумулятарнай батарэі.Літый-іённыя батарэі звычайна выкарыстоўваюцца для партатыўнай электронікі і электрычных транспартных сродкаў і набіраюць усё большую папулярнасць у ваенных і аэракасмічных прылажэннях.Прататып літый-іённага акумулятара быў распрацаваны Акірай Ёшына ў 1985 годзе на аснове ранейшых даследаванняў Джона Гудэнафа, М. Стэнлі Ўітынгема, Рачыда Язамі і Коічы Мізусімы ў 1970-1980-х гадах, а затым камерцыйны літый-іённы акумулятар быў распрацаваны Каманда Sony і Asahi Kasei на чале з Ёшыа Нішы ў 1991 годзе. У 2019 годзе Нобелеўскую прэмію па хіміі атрымалі Ёшына, Гудэнаф і Уітынгем «за распрацоўку літый-іённых акумулятараў».

У батарэях іёны літыя перамяшчаюцца ад адмоўнага электрода праз электраліт да станоўчага электрода падчас разраду і назад пры зарадцы.У літый-іённых батарэях у якасці матэрыялу на станоўчым электродзе выкарыстоўваецца ўстаўленае злучэнне літыя, а на адмоўным электродзе звычайна графіт.Батарэі маюць высокую шчыльнасць энергіі, адсутнасць эфекту памяці (акрамя LFP-элементаў) і нізкі самаразрад.Аднак яны могуць прадстаўляць небяспеку, паколькі ўтрымліваюць лёгкаўзгаральныя электраліты, і пры пашкоджанні або няправільнай зарадцы могуць прывесці да выбухаў і пажараў.Кампанія Samsung была вымушана адклікаць тэлефоны Galaxy Note 7 з-за ўзгарання літый-іённага тыпу, і было некалькі інцыдэнтаў з выкарыстаннем акумулятараў на Boeing 787.

Хімія, прадукцыйнасць, кошт і характарыстыкі бяспекі адрозніваюцца ў залежнасці ад тыпаў LIB.Ручная электроніка ў асноўным выкарыстоўвае літый-палімерныя батарэі (з палімерным гелем у якасці электраліта) з аксідам літый-кобальту (LiCoO2) у якасці катоднага матэрыялу, які забяспечвае высокую шчыльнасць энергіі, але ўяўляе рызыку бяспекі, асабліва пры пашкоджанні.Фасфат жалеза літыя (LiFePO4), аксід літый-марганца (LiMn2O4, Li2MnO3 або LMO) і аксід літый-нікель-марганец-кобальту (LiNiMnCoO2 або NMC) забяспечваюць больш нізкую шчыльнасць энергіі, але больш працяглы тэрмін службы і меншую верагоднасць пажару або выбуху.Такія батарэі шырока выкарыстоўваюцца для электраінструментаў, медыцынскага абсталявання і іншых функцый.NMC і яго вытворныя шырока выкарыстоўваюцца ў электрамабілях.

Напрамкі даследаванняў літый-іённых акумулятараў уключаюць падаўжэнне тэрміну службы, павелічэнне шчыльнасці энергіі, павышэнне бяспекі, зніжэнне кошту і павелічэнне хуткасці зарадкі, сярод іншых.Даследаванні вядуцца ў галіне негаручых электралітаў як шляху да павышэння бяспекі на аснове гаручасці і лятучасці арганічных растваральнікаў, якія выкарыстоўваюцца ў тыповым электраліце.Стратэгіі ўключаюць водныя літый-іённыя батарэі, керамічныя цвёрдыя электраліты, палімерныя электраліты, іённыя вадкасці і моцна фтарыраваныя сістэмы.

Батарэя супраць ячэйкі

Ячэйка — асноўная электрахімічная адзінка, якая змяшчае электроды, сепаратар і электраліт.

Акумулятар або акумулятар - гэта набор элементаў або блокаў элементаў з корпусам, электрычнымі злучэннямі і, магчыма, электронікай для кіравання і абароны.

Анодныя і катодныя электроды
Для акумулятарных элементаў тэрмін анод (або адмоўны электрод) пазначае электрод, дзе адбываецца акісленне падчас цыклу разраду;другі электрод - катод (або станоўчы электрод).Падчас цыклу зарада станоўчы электрод становіцца анодам, а адмоўны - катодам.Для большасці літый-іённых элементаў літый-аксідны электрод з'яўляецца станоўчым электродам;для тытанатных літый-іённых элементаў (LTO) электрод з аксіду літыя з'яўляецца адмоўным электродам.

Гісторыя

Фон

Літый-іённы акумулятар Varta, музей Autovision, Альтлусхайм, Германія
Літыевыя батарэі былі прапанаваныя брытанскім хімікам і суўладальнікам Нобелеўскай прэміі па хіміі 2019 г. М. Стэнлі Уітынгемам, які зараз знаходзіцца ў Бінгемтанскім універсітэце, калі працаваў у Exxon ў 1970-х гадах.Уітынгем выкарыстаў у якасці электродаў сульфід тытана(IV) і металічны літый.Аднак гэты літыевы акумулятар ніколі не можа быць практычным.Дысульфід тытана быў дрэнным выбарам, бо яго трэба было сінтэзаваць у цалкам герметычных умовах, а таксама быў даволі дарагім (~ 1000 долараў за кілаграм для сыравіны з дысульфіду тытана ў 1970-х гадах).Пры ўздзеянні на паветра дысульфід тытана ўступае ў рэакцыю з утварэннем серавадародных злучэнняў, якія маюць непрыемны пах і таксічныя для большасці жывёл.Па гэтай і па іншых прычынах Exxon спыніў распрацоўку літый-тытанавай дисульфидной батарэі Whittingham [28].Батарэі з металічнымі літыевымі электродамі прадстаўлялі праблемы бяспекі, бо металічны літый уступае ў рэакцыю з вадой, вылучаючы гаручы вадарод.Такім чынам, даследаванні перайшлі да распрацоўкі акумулятараў, у якіх замест металічнага літыя прысутнічаюць толькі злучэнні літыя, якія здольныя прымаць і вызваляць іёны літыя.

Зварачальная інтэркаляцыя ў графіце і інтэркаляцыя ў катодныя аксіды была адкрыта ў 1974–76 гадах Ё. Безэнхардам у ТУ Мюнхена.Безенхард прапанаваў яго прымяненне ў літыевых элементах.Раскладанне электраліта і сумеснае ўмяшанне растваральніка ў графіт былі сур'ёзнымі раннімі недахопамі для тэрміну службы батарэі.

Развіццё

1973 - Адам Хелер прапанаваў літый-тионилхларидный акумулятар, які да гэтага часу выкарыстоўваецца ў імплантаваных медыцынскіх прыладах і ў сістэмах абароны, дзе патрабуецца больш чым 20-гадовы тэрмін прыдатнасці, высокая шчыльнасць энергіі і / або допуск да экстрэмальных працоўных тэмператур.
1977 - Самар Басу прадэманстраваў электрахімічную інтэркаляцыю літыя ў графіт ва Універсітэце Пенсільваніі.Гэта прывяло да распрацоўкі працаздольнага літыевага інтэркалаванага графітнага электрода ў Bell Labs (LiC6), каб забяспечыць альтэрнатыву батарэі з металічным літыевым электродам.
1979 - Працуючы ў асобных групах, Нэд А. Годшал і інш., а неўзабаве пасля гэтага Джон Б. Гудэнаф (Оксфардскі ўніверсітэт) і Коіці Мізусіма (Такійскі ўніверсітэт) прадэманстравалі літыевы элемент з напругай у дыяпазоне 4 У з выкарыстаннем літыя. дыяксід кобальту (LiCoO2) у якасці станоўчага электрода і металічнага літыя ў якасці адмоўнага электрода.Гэта новаўвядзенне забяспечыла матэрыял станоўчага электрода, які дазволіў раннія камерцыйныя літыевыя батарэі.LiCoO2 з'яўляецца стабільным матэрыялам станоўчага электрода, які дзейнічае як донар іёнаў літыя, што азначае, што яго можна выкарыстоўваць з матэрыялам адмоўнага электрода, акрамя металічнага літыя.Дазваляючы выкарыстоўваць стабільныя і простыя ў звароце матэрыялы адмоўных электродаў, LiCoO2 адкрыў новыя сістэмы акумулятарных батарэй.Годшал і інш.далей ідэнтыфікавала аналагічнае значэнне аксідаў літый-пераходных металаў, такіх як шпінель LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 і LiFe5O4 (а пазней літый-медзі-аксід і літый-нікель-аксідныя катодныя матэрыялы) у 1988 г.
1980 - Рашыд Язамі прадэманстраваў зварачальна электрахімічную інтэркаляцыю літыя ў графіт і вынайшаў літый-графітавы электрод (анод).Арганічныя электраліты, даступныя ў той час, будуць раскладацца падчас зарадкі графітавым адмоўным электродам.Язамі выкарыстаў цвёрды электраліт, каб прадэманстраваць, што літый можа быць зварачальна ўстаўляцца ў графіт з дапамогай электрахімічнага механізму.Па стане на 2011 год, графітавы электрод Язамі быў найбольш часта выкарыстоўваным электродам у камерцыйных літый-іённых батарэях.
Адмоўны электрод бярэ свой пачатак у PAS (поліацэнавай паўправадніковага матэрыялу), адкрыты Токіо Ямабэ, а затым Шдзукуні Ята ў пачатку 1980-х гадоў.Сямёнам гэтай тэхналогіі было адкрыццё токаправодных палімераў прафесарам Хідэкі Шыракава і яго групай, а таксама можна было лічыць, што яна пачалася з поліацэтылен-літый-іённай батарэі, распрацаванай Аланам МакДіармідам і Аланам Дж. Хігерам і інш.
1982 - Годшал і інш.атрымалі патэнт ЗША 4,340,652 на выкарыстанне LiCoO2 у якасці катодаў у літыевых батарэях, на падставе доктара філасофіі Стэнфардскага універсітэта Годшала.дысертацыя і 1979 публікацый.
1983 - Майкл М. Тэкерэй, Пітэр Брус, Уільям Дэвід і Джон Гудэнаф распрацавалі марганцавую шпінель у якасці камерцыйна важнага матэрыялу з зараджаным катодам для літый-іённых акумулятараў.
1985 - Акіра Ёшына сабраў прататып ячэйкі з выкарыстаннем вугляроднага матэрыялу, у які можна было ўставіць іёны літыя ў якасці аднаго электрода, а аксід літый-кобальту (LiCoO2) у якасці іншага.Гэта значна павысіла бяспеку.LiCoO2 дазволіў прамысловае вытворчасць і ўключыў камерцыйны літый-іённы акумулятар.
1989 - Арумугам Манцірам і Джон Б. Гудэнаф адкрылі клас поліаніёнаў катодаў.Яны паказалі, што станоўчыя электроды, якія змяшчаюць поліаніёны, напрыклад, сульфаты, ствараюць больш высокія напружання, чым аксіды, з-за індуктыўнага эфекту поліаніёна.Гэты клас полианионов змяшчае такія матэрыялы, як фасфат жалеза літыя.

<працяг будзе...>