Një bateri litium-jon ose bateri Li-jon (shkurtuar si LIB) është një lloj baterie e ringarkueshme.Bateritë litium-jon përdoren zakonisht për pajisjet elektronike portative dhe automjetet elektrike dhe po rriten në popullaritet për aplikimet ushtarake dhe të hapësirës ajrore.Një prototip i baterisë Li-jon u zhvillua nga Akira Yoshino në 1985, bazuar në kërkimet e mëparshme nga John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami dhe Koichi Mizushima gjatë viteve 1970-1980, dhe më pas një bateri komerciale Li-ion u zhvillua nga një Ekipi i Sony dhe Asahi Kasei i udhëhequr nga Yoshio Nishi në 1991. Në vitin 2019, Çmimi Nobel në Kimi iu dha Yoshino, Goodenough dhe Whittingham "për zhvillimin e baterive të joneve litium".

Në bateritë, jonet e litiumit lëvizin nga elektroda negative përmes një elektroliti në elektrodën pozitive gjatë shkarkimit dhe mbrapa kur ngarkohen.Bateritë Li-jon përdorin një përbërje litiumi të ndërthurur si material në elektrodën pozitive dhe zakonisht grafit në elektrodën negative.Bateritë kanë një densitet të lartë energjie, pa efekt memorie (përveç qelizave LFP) dhe vetëshkarkim të ulët.Megjithatë, ato mund të jenë një rrezik sigurie pasi përmbajnë elektrolite të ndezshme dhe nëse dëmtohen ose ngarkohen gabimisht mund të çojnë në shpërthime dhe zjarre.Samsung u detyrua të tërhiqte celularët Galaxy Note 7 pas zjarreve të litium-jonit dhe ka pasur disa incidente që kanë të bëjnë me bateritë në Boeing 787.

Karakteristikat e kimisë, performancës, kostos dhe sigurisë ndryshojnë nga llojet e LIB.Pajisjet elektronike të dorës përdorin kryesisht bateri litium polimer (me një xhel polimer si elektrolit) me oksid litium kobalt (LiCoO2) si material katodë, i cili ofron densitet të lartë energjie, por paraqet rreziqe sigurie, veçanërisht kur dëmtohet.Fosfati i hekurit të litiumit (LiFePO4), oksidi i litium manganit (LiMn2O4, Li2MnO3, ose LMO) dhe oksidi i kobaltit të manganit të litiumit (LiNiMnCoO2 ose NMC) ofrojnë densitet më të ulët të energjisë, por jetëgjatësi më të gjatë dhe më pak gjasa zjarri ose shpërthimi.Bateri të tilla përdoren gjerësisht për mjete elektrike, pajisje mjekësore dhe role të tjera.NMC dhe derivatet e tij përdoren gjerësisht në automjetet elektrike.

Fushat e kërkimit për bateritë litium-jon përfshijnë zgjatjen e jetëgjatësisë, rritjen e densitetit të energjisë, përmirësimin e sigurisë, uljen e kostos dhe rritjen e shpejtësisë së karikimit, ndër të tjera.Hulumtimet janë duke u zhvilluar në fushën e elektroliteve jo të ndezshme si një rrugë drejt rritjes së sigurisë bazuar në ndezshmërinë dhe paqëndrueshmërinë e tretësve organikë të përdorur në elektrolitin tipik.Strategjitë përfshijnë bateri ujore litium-jon, elektrolite të ngurta qeramike, elektrolite polimer, lëngje jonike dhe sisteme shumë të fluoruara.

Bateri kundër celularit

Një qelizë është një njësi elektrokimike bazë që përmban elektroda, ndarës dhe elektrolit.

Një bateri ose paketë baterish është një koleksion qelizash ose njësish qelizash, me strehim, lidhje elektrike dhe ndoshta pajisje elektronike për kontroll dhe mbrojtje.

Elektroda anodë dhe katodë
Për qelizat e rikarikueshme, termi anodë (ose elektrodë negative) përcakton elektrodën ku ndodh oksidimi gjatë ciklit të shkarkimit;elektroda tjetër është katoda (ose elektroda pozitive).Gjatë ciklit të ngarkimit, elektroda pozitive bëhet anodë dhe elektroda negative bëhet katodë.Për shumicën e qelizave litium-jonike, elektroda e oksidit të litiumit është elektroda pozitive;për qelizat titanate litium-jon (LTO), elektroda e oksidit të litiumit është elektroda negative.

Historia

Sfondi

Bateria litium-jon Varta, Muzeu Autovision, Altlussheim, Gjermani
Bateritë e litiumit u propozuan nga kimisti britanik dhe bashkë-marrësi i çmimit Nobel për kiminë 2019 M. Stanley Whittingham, tani në Universitetin Binghamton, ndërsa punonte për Exxon në vitet 1970.Whittingham përdori sulfid titan (IV) dhe metal litium si elektroda.Megjithatë, kjo bateri litium e ringarkueshme nuk mund të bëhej kurrë praktike.Disulfidi i titanit ishte një zgjedhje e dobët, pasi ai duhet të sintetizohet në kushte plotësisht të mbyllura, duke qenë gjithashtu mjaft i shtrenjtë (~ 1000 dollarë për kilogram për lëndën e parë të disulfidit të titanit në vitet 1970).Kur ekspozohet ndaj ajrit, disulfidi i titanit reagon për të formuar komponime sulfide hidrogjeni, të cilat kanë një erë të pakëndshme dhe janë toksike për shumicën e kafshëve.Për këtë, dhe arsye të tjera, Exxon ndërpreu zhvillimin e baterisë disulfide litium-titani të Whittingham.[28]Bateritë me elektroda metalike litium paraqisnin probleme sigurie, pasi metali litium reagon me ujin, duke lëshuar gaz hidrogjeni të ndezshëm.Rrjedhimisht, kërkimet u zhvendosën për të zhvilluar bateri në të cilat, në vend të litiumit metalik, janë të pranishme vetëm komponimet e litiumit, duke qenë të afta të pranojnë dhe çlirojnë jonet e litiumit.

Ndërhyrja e kthyeshme në grafit dhe ndërthurja në okside katodike u zbulua gjatë viteve 1974-76 nga JO Besenhard në TU Mynih.Besenhard propozoi aplikimin e tij në qelizat e litiumit.Zbërthimi i elektrolitit dhe bashkë-ndërhyrja e tretësit në grafit ishin disavantazhe serioze të hershme për jetëgjatësinë e baterisë.

Zhvillimi

1973 - Adam Heller propozoi baterinë e klorurit tionil litium, e cila përdoret ende në pajisjet mjekësore të implantuara dhe në sistemet mbrojtëse ku kërkohet një jetëgjatësi më e madhe se 20 vjet, densitet i lartë energjie dhe/ose tolerancë për temperaturat ekstreme të funksionimit.
1977 - Samar Basu demonstroi ndërthurjen elektrokimike të litiumit në grafit në Universitetin e Pensilvanisë.Kjo çoi në zhvillimin e një elektrode grafiti të ndërthurur me litium të zbatueshëm në Bell Labs (LiC6) për të ofruar një alternativë ndaj baterisë së elektrodës metalike të litiumit.
1979 - Duke punuar në grupe të veçanta, Ned A. Godshall et al., dhe pak më vonë, John B. Goodenough (Universiteti i Oksfordit) dhe Koichi Mizushima (Universiteti i Tokios), demonstruan një qelizë litium të ringarkueshme me tension në rangun 4 V duke përdorur litium. dioksidi i kobaltit (LiCoO2) si elektrodë pozitive dhe metali litium si elektrodë negative.Kjo risi siguroi materialin elektrodë pozitive që mundësoi bateritë e hershme komerciale të litiumit.LiCoO2 është një material elektrodë pozitiv i qëndrueshëm i cili vepron si dhurues i joneve të litiumit, që do të thotë se mund të përdoret me një material elektrodë negative, përveç metalit të litiumit.Duke mundësuar përdorimin e materialeve të elektrodave negative të qëndrueshme dhe të lehta për t'u trajtuar, LiCoO2 mundësoi sisteme të reja të baterive të rikarikueshme.Godshall et al.më tej identifikoi vlerën e ngjashme të përbërjeve treshe të oksideve të metaleve në tranzicion të litiumit si spineli LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 dhe LiFe5O4 (dhe më vonë materialet katodë litium-oksid bakri dhe litium-nikel-oksid85) në 19
1980 - Rachid Yazami demonstroi ndërthurjen e kthyeshme elektrokimike të litiumit në grafit dhe shpiku elektrodën e grafitit të litiumit (anodë).Elektrolitet organike të disponueshme në atë kohë do të dekompozohen gjatë karikimit me një elektrodë negative grafiti.Yazami përdori një elektrolit të ngurtë për të demonstruar se litiumi mund të ndërthuret në mënyrë të kthyeshme në grafit përmes një mekanizmi elektrokimik.Që nga viti 2011, elektroda e grafitit e Yazamit ishte elektroda më e përdorur në bateritë komerciale të litium-jonit.
Elektroda negative e ka origjinën në PAS (material gjysmëpërçues poliacenik) i zbuluar nga Tokio Yamabe dhe më vonë nga Shjzukuni Yata në fillim të viteve 1980.Fara e kësaj teknologjie ishte zbulimi i polimereve përçues nga profesori Hideki Shirakawa dhe grupi i tij, dhe gjithashtu mund të shihej se kishte filluar nga bateria e joneve të litiumit poliacetileni e zhvilluar nga Alan MacDiarmid dhe Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.iu dha patenta amerikane 4,340,652 për përdorimin e LiCoO2 si katodë në bateritë e litiumit, bazuar në doktoraturën e Universitetit Stanford të Godshall.disertacion dhe botime të vitit 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David dhe John Goodenough zhvilluan një spinel mangani si një material katodë i ngarkuar komercialisht i rëndësishëm për bateritë litium-jon.
1985 - Akira Yoshino grumbulloi një qelizë prototip duke përdorur material karbonik në të cilin jonet e litiumit mund të futeshin si një elektrodë dhe oksidi i kobaltit litium (LiCoO2) si tjetri.Kjo përmirësoi në mënyrë dramatike sigurinë.LiCoO2 mundësoi prodhimin në shkallë industriale dhe mundësoi baterinë komerciale litium-jon.
1989 - Arumugam Manthiram dhe John B. Goodenough zbuluan klasën e katodave të polianionit.Ata treguan se elektrodat pozitive që përmbajnë polianione, p.sh., sulfate, prodhojnë tensione më të larta se oksidet për shkak të efektit induktiv të polianionit.Kjo klasë e polianionit përmban materiale të tilla si fosfati i hekurit litium.

< për të vazhduar…>