Ett litiumjonbatteri eller Li-ionbatteri (förkortat LIB) är en typ av uppladdningsbart batteri.Litiumjonbatterier används ofta för bärbar elektronik och elfordon och växer i popularitet för militära och rymdtillämpningar.Ett prototyp Li-ion-batteri utvecklades av Akira Yoshino 1985, baserat på tidigare forskning av John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami och Koichi Mizushima under 1970-1980-talet, och sedan utvecklades ett kommersiellt Li-ion-batteri av en Sony och Asahi Kasei-teamet leddes av Yoshio Nishi 1991. 2019 tilldelades Nobelpriset i kemi till Yoshino, Goodenough och Whittingham "för utvecklingen av litiumjonbatterier".

I batterierna rör sig litiumjoner från den negativa elektroden genom en elektrolyt till den positiva elektroden under urladdning och tillbaka vid laddning.Li-jonbatterier använder en interkalerad litiumförening som material vid den positiva elektroden och vanligtvis grafit vid den negativa elektroden.Batterierna har hög energitäthet, ingen minneseffekt (förutom LFP-celler) och låg självurladdning.De kan dock utgöra en säkerhetsrisk eftersom de innehåller brandfarliga elektrolyter, och om de är skadade eller felaktigt laddade kan de leda till explosioner och bränder.Samsung tvingades återkalla Galaxy Note 7-telefoner efter litiumjonbränder, och det har förekommit flera incidenter med batterier på Boeing 787.

Kemi, prestanda, kostnad och säkerhetsegenskaper varierar mellan LIB-typer.Handhållen elektronik använder mestadels litiumpolymerbatterier (med en polymergel som elektrolyt) med litiumkoboltoxid (LiCoO2) som katodmaterial, vilket ger hög energitäthet, men medför säkerhetsrisker, särskilt vid skada.Litiumjärnfosfat (LiFePO4), litiummanganoxid (LiMn2O4, Li2MnO3 eller LMO) och litiumnickelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) ger lägre energitäthet men längre livslängd och mindre risk för brand eller explosion.Sådana batterier används ofta för elektriska verktyg, medicinsk utrustning och andra roller.NMC och dess derivat används i stor utsträckning i elfordon.

Forskningsområden för litiumjonbatterier inkluderar bland annat förlängning av livslängden, ökad energitäthet, förbättrad säkerhet, sänkta kostnader och ökad laddningshastighet.Forskning har pågått inom området för icke brandfarliga elektrolyter som en väg till ökad säkerhet baserad på brandbarheten och flyktigheten hos de organiska lösningsmedel som används i den typiska elektrolyten.Strategier inkluderar vattenhaltiga litiumjonbatterier, keramiska fasta elektrolyter, polymerelektrolyter, joniska vätskor och kraftigt fluorerade system.

Batteri kontra cell

En cell är en grundläggande elektrokemisk enhet som innehåller elektroderna, separatorn och elektrolyten.

Ett batteri eller batteripaket är en samling celler eller cellenheter, med hölje, elektriska anslutningar och eventuellt elektronik för kontroll och skydd.

Anod- och katodelektroder
För uppladdningsbara celler betecknar termen anod (eller negativ elektrod) elektroden där oxidation äger rum under urladdningscykeln;den andra elektroden är katoden (eller positiv elektrod).Under laddningscykeln blir den positiva elektroden anoden och den negativa elektroden blir katoden.För de flesta litiumjonceller är litiumoxidelektroden den positiva elektroden;för titanatlitiumjonceller (LTO) är litiumoxidelektroden den negativa elektroden.

Historia

Bakgrund

Varta litiumjonbatteri, Museum Autovision, Altlussheim, Tyskland
Litiumbatterier föreslogs av den brittiske kemisten och medmottagaren av 2019 års Nobelpris i kemi M. Stanley Whittingham, nu vid Binghamton University, medan han arbetade för Exxon på 1970-talet.Whittingham använde titan(IV)sulfid och litiummetall som elektroder.Detta uppladdningsbara litiumbatteri kunde dock aldrig göras praktiskt.Titandisulfid var ett dåligt val, eftersom det måste syntetiseras under helt förseglade förhållanden, vilket också är ganska dyrt (~1 000 dollar per kilogram för titandisulfidråvara på 1970-talet).Vid exponering för luft reagerar titandisulfid och bildar vätesulfidföreningar, som har en obehaglig lukt och är giftiga för de flesta djur.Av detta, och andra skäl, avbröt Exxon utvecklingen av Whittinghams litium-titaniumdisulfidbatteri.[28]Batterier med metalliska litiumelektroder gav säkerhetsproblem, eftersom litiummetall reagerar med vatten och släpper ut brandfarlig vätgas.Följaktligen gick forskningen vidare till att utveckla batterier där, istället för metalliskt litium, endast litiumföreningar finns närvarande, som kan ta emot och frigöra litiumjoner.

Reversibel interkalering i grafit och interkalering till katodiska oxider upptäcktes under 1974–76 av JO Besenhard vid TU München.Besenhard föreslog dess tillämpning i litiumceller.Elektrolytsönderdelning och lösningsmedelssaminterkalering till grafit var allvarliga tidiga nackdelar för batterilivslängden.

Utveckling

1973 – Adam Heller föreslog litiumtionylkloridbatteriet, som fortfarande används i implanterade medicinska apparater och i försvarssystem där en hållbarhetstid på mer än 20 år, hög energitäthet och/eller tolerans för extrema driftstemperaturer krävs.
1977 – Samar Basu demonstrerade elektrokemisk interkalering av litium i grafit vid University of Pennsylvania.Detta ledde till utvecklingen av en användbar litiuminterkalerad grafitelektrod vid Bell Labs (LiC6) för att tillhandahålla ett alternativ till litiummetallelektrodbatteriet.
1979 – Ned A. Godshall et al., och kort därefter, John B. Goodenough (Oxford University) och Koichi Mizushima (Tokyo University), arbetade i separata grupper, demonstrerade en laddningsbar litiumcell med spänning i 4 V-området med hjälp av litium koboltdioxid (LiCoO2) som positiv elektrod och litiummetall som negativ elektrod.Denna innovation gav det positiva elektrodmaterialet som möjliggjorde tidiga kommersiella litiumbatterier.LiCoO2 är ett stabilt positivt elektrodmaterial som fungerar som en donator av litiumjoner, vilket gör att det kan användas med ett annat negativt elektrodmaterial än litiummetall.Genom att möjliggöra användningen av stabila och lätthanterliga negativa elektrodmaterial, möjliggjorde LiCoO2 nya uppladdningsbara batterisystem.Godshall et al.identifierade vidare det liknande värdet av ternära sammansatta litium-övergångsmetalloxider såsom spinellen LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 och LiFe5O4 (och senare litium-koppar-oxid och litium-nickel-oxid katodmaterial 1985)
1980 – Rachid Yazami demonstrerade den reversibla elektrokemiska interkaleringen av litium i grafit och uppfann litiumgrafitelektroden (anod).De organiska elektrolyter som var tillgängliga vid den tidpunkten skulle sönderdelas under laddning med en negativ grafitelektrod.Yazami använde en fast elektrolyt för att visa att litium kan interkaleras reversibelt i grafit genom en elektrokemisk mekanism.Från och med 2011 var Yazamis grafitelektrod den mest använda elektroden i kommersiella litiumjonbatterier.
Den negativa elektroden har sitt ursprung i PAS (polyaceniskt halvledande material) som upptäcktes av Tokio Yamabe och senare av Shjzukuni Yata i början av 1980-talet.Fröet till denna teknologi var upptäckten av ledande polymerer av professor Hideki Shirakawa och hans grupp, och det kunde också ses som att det utgick från polyacetylenlitiumjonbatteriet utvecklat av Alan MacDiarmid och Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.tilldelades US Patent 4 340 652 för användning av LiCoO2 som katoder i litiumbatterier, baserat på Godshalls Stanford University Ph.D.avhandling och 1979 års publikationer.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David och John Goodenough utvecklade en manganspinell som ett kommersiellt relevant laddat katodmaterial för litiumjonbatterier.
1985 – Akira Yoshino satte ihop en prototypcell med kolhaltigt material där litiumjoner kunde sättas in som en elektrod och litiumkoboltoxid (LiCoO2) som den andra.Detta förbättrade säkerheten dramatiskt.LiCoO2 möjliggjorde produktion i industriell skala och möjliggjorde det kommersiella litiumjonbatteriet.
1989 – Arumugam Manthiram och John B. Goodenough upptäckte polyanjonklassen av katoder.De visade att positiva elektroder som innehåller polyanjoner, t.ex. sulfater, producerar högre spänningar än oxider på grund av den induktiva effekten av polyanjonen.Denna polyanjonklass innehåller material som litiumjärnfosfat.

< fortsättning följer...>