باتری لیتیوم یون یا باتری لیتیوم یون (به اختصار LIB) نوعی باتری قابل شارژ است.باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً برای وسایل نقلیه الکترونیکی و الکتریکی قابل حمل استفاده می‌شوند و محبوبیت آنها برای کاربردهای نظامی و هوافضا در حال افزایش است.یک نمونه اولیه باتری لیتیوم یونی توسط آکیرا یوشینو در سال 1985 بر اساس تحقیقات قبلی جان گودناف، ام استنلی ویتینگهام، راشید یازامی و کویچی میزوشیما در طول دهه 1970 تا 1980 ساخته شد و سپس یک باتری تجاری لیتیوم یونی توسط یک تیم سونی و آساهی کاسی به رهبری یوشیو نیشی در سال 1991. در سال 2019، جایزه نوبل شیمی به Yoshino، Goodenough و Whittingham "برای توسعه باتری های لیتیوم یون" اهدا شد.

در باتری‌ها، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی از طریق یک الکترولیت به الکترود مثبت در هنگام تخلیه حرکت می‌کنند و هنگام شارژ به عقب برمی‌گردند.باتری‌های لیتیوم یونی از ترکیب لیتیومی به عنوان ماده در الکترود مثبت و معمولاً از گرافیت در الکترود منفی استفاده می‌کنند.باتری ها دارای چگالی انرژی بالا، بدون اثر حافظه (به جز سلول های LFP) و تخلیه خود کم هستند.با این حال، آنها می توانند یک خطر ایمنی باشند زیرا حاوی الکترولیت های قابل اشتعال هستند و اگر آسیب ببینند یا به اشتباه شارژ شوند می توانند منجر به انفجار و آتش سوزی شوند.سامسونگ در پی آتش سوزی یون لیتیوم مجبور به فراخوانی گوشی های گلکسی نوت 7 شد و چندین حادثه در رابطه با باتری های بوئینگ 787 رخ داده است.

ویژگی های شیمی، عملکرد، هزینه و ایمنی در انواع LIB متفاوت است.وسایل الکترونیکی دستی عمدتاً از باتری‌های لیتیوم پلیمری (با ژل پلیمری به عنوان الکترولیت) با اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2) به عنوان ماده کاتد استفاده می‌کنند که چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌کند، اما خطرات ایمنی را به ویژه در صورت آسیب‌دیدگی به همراه دارد.فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)، اکسید لیتیوم منگنز (LiMn2O4، Li2MnO3 یا LMO) و اکسید کبالت نیکل نیکل منگنز (LiNiMnCoO2 یا NMC) چگالی انرژی کمتری دارند اما عمر طولانی تری دارند و احتمال آتش سوزی یا انفجار کمتری دارند.چنین باتری هایی به طور گسترده برای ابزار الکتریکی، تجهیزات پزشکی و سایر نقش ها استفاده می شود.NMC و مشتقات آن به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود.

زمینه های تحقیقاتی برای باتری های لیتیوم یون شامل افزایش طول عمر، افزایش چگالی انرژی، بهبود ایمنی، کاهش هزینه و افزایش سرعت شارژ و غیره است.تحقیقات در زمینه الکترولیت های غیرقابل اشتعال به عنوان مسیری برای افزایش ایمنی بر اساس اشتعال پذیری و فراریت حلال های آلی مورد استفاده در الکترولیت معمولی در حال انجام است.استراتژی‌ها شامل باتری‌های لیتیوم یون آبی، الکترولیت‌های جامد سرامیکی، الکترولیت‌های پلیمری، مایعات یونی و سیستم‌های به شدت فلوئور شده است.

باتری در مقابل سلول

سلول یک واحد الکتروشیمیایی پایه است که شامل الکترودها، جداکننده و الکترولیت است.

باتری یا بسته باتری مجموعه ای از سلول ها یا مجموعه های سلولی با محفظه، اتصالات الکتریکی و احتمالاً وسایل الکترونیکی برای کنترل و محافظت است.

الکترودهای آند و کاتد
برای سلول های قابل شارژ، اصطلاح آند (یا الکترود منفی) نشان دهنده الکترودی است که در آن اکسیداسیون در طول چرخه تخلیه انجام می شود.الکترود دیگر کاتد (یا الکترود مثبت) است.در طول چرخه شارژ، الکترود مثبت به آند و الکترود منفی به کاتد تبدیل می شود.برای اکثر سلول های لیتیوم یون، الکترود اکسید لیتیوم الکترود مثبت است.برای سلول‌های لیتیوم یون تیتانات (LTO)، الکترود اکسید لیتیوم الکترود منفی است.

تاریخ

زمینه

باتری لیتیوم یون Varta، موزه اتوویژن، Altlussheim، آلمان
باتری های لیتیومی توسط شیمیدان بریتانیایی و یکی از دریافت کنندگان جایزه نوبل شیمی 2019، M. Stanley Whittingham، که اکنون در دانشگاه بینگهامتون مشغول به کار است، در حالی که در دهه 1970 برای Exxon کار می کرد، پیشنهاد شد.ویتینگهام از سولفید تیتانیوم (IV) و فلز لیتیوم به عنوان الکترود استفاده کرد.با این حال، این باتری لیتیومی قابل شارژ هرگز نمی تواند عملی شود.دی سولفید تیتانیوم انتخاب ضعیفی بود، زیرا باید در شرایط کاملاً مهر و موم شده سنتز شود، همچنین بسیار گران بود (حدود 1000 دلار در هر کیلوگرم برای مواد خام دی سولفید تیتانیوم در دهه 1970).دی سولفید تیتانیوم وقتی در معرض هوا قرار می گیرد، واکنش نشان می دهد و ترکیبات سولفید هیدروژن را تشکیل می دهد که بوی نامطبوعی دارند و برای اکثر حیوانات سمی هستند.به همین دلیل و دلایل دیگر، اکسون توسعه باتری دی سولفید لیتیوم تیتانیوم ویتینگهام را متوقف کرد.[28]باتری‌های دارای الکترودهای لیتیوم فلزی مشکلات ایمنی را نشان می‌دهند، زیرا فلز لیتیوم با آب واکنش می‌دهد و گاز هیدروژن قابل اشتعال آزاد می‌کند.در نتیجه، تحقیقات به سمت ساخت باتری‌هایی رفت که در آن‌ها به جای لیتیوم فلزی، فقط ترکیبات لیتیوم وجود داشته باشد که قادر به پذیرش و آزادسازی یون‌های لیتیوم باشند.

درون‌سازی برگشت‌پذیر در گرافیت و درون‌سازی به اکسیدهای کاتدی طی سال‌های 1974-1976 توسط JO Besenhard در TU مونیخ کشف شد.Besenhard کاربرد آن را در سلول های لیتیومی پیشنهاد کرد.تجزیه الکترولیت و ترکیب حلال به گرافیت از معایب جدی اولیه برای عمر باتری بودند.

توسعه

1973 - آدام هلر باتری لیتیوم تیونیل کلرید را پیشنهاد کرد که هنوز در دستگاه‌های پزشکی کاشته شده و در سیستم‌های دفاعی که ماندگاری بیش از 20 سال، چگالی انرژی بالا و/یا تحمل دماهای عملیاتی شدید مورد نیاز است استفاده می‌شود.
1977 - سامار باسو در دانشگاه پنسیلوانیا، ترکیب الکتروشیمیایی لیتیوم در گرافیت را نشان داد.این منجر به توسعه یک الکترود گرافیتی با لیتیوم کارآمد در آزمایشگاه‌های بل (LiC6) شد تا جایگزینی برای باتری الکترود فلزی لیتیومی ارائه کند.
1979 - Ned A. Godshall و همکاران، و کمی پس از آن، John B. Goodenough (دانشگاه آکسفورد) و Koichi Mizushima (دانشگاه توکیو)، با کار در گروه های جداگانه، یک سلول لیتیومی قابل شارژ با ولتاژ در محدوده 4 V را با استفاده از لیتیوم نشان دادند. دی اکسید کبالت (LiCoO2) به عنوان الکترود مثبت و فلز لیتیوم به عنوان الکترود منفی.این نوآوری مواد الکترود مثبتی را فراهم کرد که باتری‌های لیتیومی تجاری اولیه را فعال کرد.LiCoO2 یک ماده الکترود مثبت پایدار است که به عنوان دهنده یون لیتیوم عمل می کند، به این معنی که می توان آن را با یک ماده الکترود منفی غیر از فلز لیتیوم استفاده کرد.LiCoO2 با فعال کردن استفاده از مواد الکترود منفی پایدار و قابل حمل آسان، سیستم‌های باتری قابل شارژ جدید را فعال کرد.گودشال و همکارانهمچنین ارزش مشابه ترکیب سه تایی اکسیدهای فلزات انتقالی لیتیوم مانند اسپینل LiMn2O4، Li2MnO3، LiMnO2، LiFeO2، LiFe5O8، و LiFe5O4 (و بعداً مواد کاتد لیتیوم-مس-اکسید و لیتیوم-نیکل-اکسید مواد کاتد) را در 19 شناسایی کرد.
1980 - Rachid Yazami درهم آمیختگی الکتروشیمیایی برگشت پذیر لیتیوم در گرافیت را نشان داد و الکترود لیتیوم گرافیت (آند) را اختراع کرد.الکترولیت های آلی موجود در آن زمان در طی شارژ شدن با الکترود منفی گرافیت تجزیه می شوند.یازامی از یک الکترولیت جامد استفاده کرد تا نشان دهد که لیتیوم می تواند به طور برگشت پذیر در گرافیت از طریق یک مکانیسم الکتروشیمیایی وارد شود.از سال 2011، الکترود گرافیتی Yazami رایج ترین الکترود مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون تجاری بود.
منشأ الکترود منفی در PAS (مواد نیمه‌رسانای پلی‌سنیک) است که توسط توکیو یامابه و بعداً توسط Shjzukuni Yata در اوایل دهه 1980 کشف شد.بذر این فناوری کشف پلیمرهای رسانا توسط پروفسور هیدکی شیراکاوا و گروهش بود، و همچنین می‌توان آن را از باتری لیتیوم یون پلی استیلن که توسط آلن مک دیارمید و آلن جی هیگر و همکارانش ساخته شد شروع کرد.
1982 - Godshall et al.امتیاز 4340652 ایالات متحده را برای استفاده از LiCoO2 به عنوان کاتد در باتری های لیتیومی بر اساس دکترای دانشگاه استنفورد Godshall دریافت کردند.پایان نامه و انتشارات 1979.
1983 - مایکل ام. تاکری، پیتر بروس، ویلیام دیوید و جان گودناف اسپینل منگنز را به عنوان یک ماده کاتد شارژ شده تجاری مرتبط برای باتری‌های لیتیوم یون توسعه دادند.
1985 - آکیرا یوشینو نمونه اولیه سلولی را با استفاده از مواد کربنی مونتاژ کرد که یون های لیتیوم را می توان به عنوان یک الکترود و اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2) را به عنوان الکترود دیگر وارد کرد.این به طور چشمگیری ایمنی را بهبود بخشید.LiCoO2 تولید در مقیاس صنعتی را فعال کرد و باتری لیتیوم یون تجاری را فعال کرد.
1989 - Arumugam Manthiram و John B. Goodenough کلاس پلی آنیون کاتدها را کشف کردند.آنها نشان دادند که الکترودهای مثبت حاوی پلی آنیونها، به عنوان مثال، سولفاتها، به دلیل اثر القایی پلی آنیون، ولتاژهای بالاتری نسبت به اکسیدها تولید می کنند.این کلاس پلی آنیون حاوی موادی مانند فسفات آهن لیتیوم است.

<ادامه دارد…>