Et litium-ion-batteri eller Li-ion-batteri (forkortet til LIB) er en type oppladbart batteri.Litium-ion-batterier brukes ofte til bærbar elektronikk og elektriske kjøretøyer og øker i popularitet for militære og romfartsapplikasjoner.Et prototype Li-ion-batteri ble utviklet av Akira Yoshino i 1985, basert på tidligere forskning av John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami og Koichi Mizushima i løpet av 1970–1980-tallet, og deretter ble et kommersielt Li-ion-batteri utviklet av en Sony og Asahi Kasei-teamet ledet av Yoshio Nishi i 1991. I 2019 ble Nobelprisen i kjemi gitt til Yoshino, Goodenough og Whittingham «for utviklingen av litiumionbatterier».

I batteriene beveger litiumioner seg fra den negative elektroden gjennom en elektrolytt til den positive elektroden under utlading, og tilbake ved lading.Li-ion-batterier bruker en interkalert litiumforbindelse som materiale ved den positive elektroden og typisk grafitt ved den negative elektroden.Batteriene har høy energitetthet, ingen minneeffekt (annet enn LFP-celler) og lav selvutlading.De kan imidlertid utgjøre en sikkerhetsrisiko siden de inneholder brennbare elektrolytter, og hvis de er skadet eller feilladet kan de føre til eksplosjoner og branner.Samsung ble tvunget til å tilbakekalle Galaxy Note 7-telefoner etter litium-ion-branner, og det har vært flere hendelser med batterier på Boeing 787.

Kjemi, ytelse, kostnad og sikkerhetsegenskaper varierer på tvers av LIB-typer.Håndholdt elektronikk bruker for det meste litiumpolymerbatterier (med en polymergel som elektrolytt) med litiumkoboltoksid (LiCoO2) som katodemateriale, som tilbyr høy energitetthet, men utgjør en sikkerhetsrisiko, spesielt når den er skadet.Litiumjernfosfat (LiFePO4), litiummanganoksid (LiMn2O4, Li2MnO3 eller LMO) og litiumnikkelmangankoboltoksid (LiNiMnCoO2 eller NMC) gir lavere energitetthet, men lengre levetid og mindre sannsynlighet for brann eller eksplosjon.Slike batterier er mye brukt til elektriske verktøy, medisinsk utstyr og andre roller.NMC og dets derivater er mye brukt i elektriske kjøretøy.

Forskningsområder for litium-ion-batterier inkluderer blant annet forlengelse av levetid, økt energitetthet, forbedret sikkerhet, reduserte kostnader og økt ladehastighet.Det har pågått forskning på området ikke-brennbare elektrolytter som en vei til økt sikkerhet basert på brennbarheten og flyktigheten til de organiske løsningsmidlene som brukes i den typiske elektrolytten.Strategier inkluderer vandige litium-ion-batterier, keramiske faste elektrolytter, polymerelektrolytter, ioniske væsker og sterkt fluorerte systemer.

Batteri kontra celle

En celle er en grunnleggende elektrokjemisk enhet som inneholder elektrodene, separatoren og elektrolytten.

Et batteri eller batteripakke er en samling av celler eller cellesammenstillinger, med hus, elektriske koblinger, og muligens elektronikk for kontroll og beskyttelse.

Anode- og katodeelektroder
For oppladbare celler betegner begrepet anode (eller negativ elektrode) elektroden der oksidasjon finner sted under utladningssyklusen;den andre elektroden er katoden (eller den positive elektroden).Under ladesyklusen blir den positive elektroden til anoden og den negative elektroden blir katoden.For de fleste litiumionceller er litiumoksidelektroden den positive elektroden;for titanat-litiumionceller (LTO), er litiumoksidelektroden den negative elektroden.

Historie

Bakgrunn

Varta litium-ion batteri, Museum Autovision, Altlussheim, Tyskland
Litiumbatterier ble foreslått av den britiske kjemikeren og medmottakeren av 2019 Nobelprisen i kjemi M. Stanley Whittingham, nå ved Binghamton University, mens han jobbet for Exxon på 1970-tallet.Whittingham brukte titan(IV)sulfid og litiummetall som elektrodene.Imidlertid kunne dette oppladbare litiumbatteriet aldri gjøres praktisk.Titandisulfid var et dårlig valg, siden det må syntetiseres under fullstendig forseglede forhold, og det er også ganske dyrt (~$1000 per kilogram for titandisulfid-råmateriale på 1970-tallet).Når det utsettes for luft, reagerer titandisulfid og danner hydrogensulfidforbindelser, som har en ubehagelig lukt og er giftige for de fleste dyr.Av dette, og andre grunner, avsluttet Exxon utviklingen av Whittinghams litium-titan-disulfid-batteri. [28]Batterier med metalliske litiumelektroder ga sikkerhetsproblemer, ettersom litiummetall reagerer med vann og frigjør brennbar hydrogengass.Følgelig flyttet forskningen seg til å utvikle batterier der, i stedet for metallisk litium, bare litiumforbindelser er til stede, som er i stand til å akseptere og frigjøre litiumioner.

Reversibel interkalering i grafitt og interkalering til katodiske oksider ble oppdaget i løpet av 1974–76 av JO Besenhard ved TU München.Besenhard foreslo bruken i litiumceller.Elektrolyttdekomponering og løsningsmiddel-saminterkalering til grafitt var alvorlige tidlige ulemper for batterilevetiden.

Utvikling

1973 – Adam Heller foreslo litiumtionylkloridbatteriet, som fortsatt brukes i implantert medisinsk utstyr og i forsvarssystemer der det kreves en mer enn 20 års holdbarhet, høy energitetthet og/eller toleranse for ekstreme driftstemperaturer.
1977 - Samar Basu demonstrerte elektrokjemisk interkalering av litium i grafitt ved University of Pennsylvania.Dette førte til utviklingen av en brukbar litium interkalert grafittelektrode ved Bell Labs (LiC6) for å gi et alternativ til litiummetallelektrodebatteriet.
1979 – Ned A. Godshall et al., og kort tid etter, John B. Goodenough (Oxford University) og Koichi Mizushima (Tokyo University), arbeidet i separate grupper, demonstrerte en oppladbar litiumcelle med spenning i 4 V-området ved bruk av litium koboltdioksid (LiCoO2) som positiv elektrode og litiummetall som negativ elektrode.Denne innovasjonen ga det positive elektrodematerialet som muliggjorde tidlig kommersielle litiumbatterier.LiCoO2 er et stabilt positivt elektrodemateriale som fungerer som donor av litiumioner, noe som betyr at det kan brukes med et annet negativt elektrodemateriale enn litiummetall.Ved å muliggjøre bruk av stabile og letthåndterlige negative elektrodematerialer, muliggjorde LiCoO2 nye oppladbare batterisystemer.Godshall et al.identifiserte videre den lignende verdien av ternære sammensatte litium-overgangsmetalloksider som spinell LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 og LiFe5O4 (og senere litium-kobber-oksid og litium-nikkel-oksid katodematerialer i 1985)
1980 - Rachid Yazami demonstrerte den reversible elektrokjemiske interkaleringen av litium i grafitt, og oppfant litiumgrafittelektroden (anode).De organiske elektrolyttene som var tilgjengelige på det tidspunktet ville brytes ned under lading med en negativ grafittelektrode.Yazami brukte en solid elektrolytt for å demonstrere at litium kunne interkaleres reversibelt i grafitt gjennom en elektrokjemisk mekanisme.Fra og med 2011 var Yazamis grafittelektrode den mest brukte elektroden i kommersielle litiumionbatterier.
Den negative elektroden har sin opprinnelse i PAS (polyacenic semiconductive material) oppdaget av Tokio Yamabe og senere av Shjzukuni Yata på begynnelsen av 1980-tallet.Frøet til denne teknologien var oppdagelsen av ledende polymerer av professor Hideki Shirakawa og hans gruppe, og det kan også sees på som å ha startet fra polyacetylen litiumionbatteriet utviklet av Alan MacDiarmid og Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.ble tildelt amerikansk patent 4 340 652 for bruk av LiCoO2 som katoder i litiumbatterier, basert på Godshalls Stanford University Ph.D.avhandling og 1979-publikasjoner.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David og John Goodenough utviklet en manganspinell som et kommersielt relevant ladet katodemateriale for litiumionbatterier.
1985 - Akira Yoshino satte sammen en prototypecelle ved å bruke karbonholdig materiale der litiumioner kunne settes inn som en elektrode, og litiumkoboltoksid (LiCoO2) som den andre.Dette forbedret sikkerheten dramatisk.LiCoO2 muliggjorde produksjon i industriell skala og muliggjorde det kommersielle litiumionbatteriet.
1989 – Arumugam Manthiram og John B. Goodenough oppdaget polyanionklassen av katoder.De viste at positive elektroder som inneholder polyanioner, f.eks. sulfater, produserer høyere spenninger enn oksider på grunn av den induktive effekten av polyanion.Denne polyanionklassen inneholder materialer som litiumjernfosfat.

< fortsetter...>