A lítium-ion akkumulátor vagy Li-ion akkumulátor (rövidítve LIB) egyfajta újratölthető akkumulátor.A lítium-ion akkumulátorokat általában hordozható elektronikai és elektromos járművekhez használják, és egyre népszerűbbek katonai és űrhajózási alkalmazásokban.A lítium-ion akkumulátor prototípusát Akira Yoshino fejlesztette ki 1985-ben John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami és Koichi Mizushima korábbi kutatásai alapján, az 1970-es és 1980-as években, majd egy kereskedelmi Li-ion akkumulátort fejlesztett ki egy A Sony és az Asahi Kasei csapata Yoshio Nishi vezetésével 1991-ben. 2019-ben a kémiai Nobel-díjat Yoshino, Goodenough és Whittingham kapta „lítium-ion akkumulátorok fejlesztéséért”.

Az akkumulátorokban a lítium-ionok a negatív elektródáról egy elektroliton keresztül a pozitív elektródára mozognak kisütéskor, majd vissza töltéskor.A Li-ion akkumulátorok a pozitív elektródánál egy interkalált lítiumvegyületet, a negatív elektródánál pedig jellemzően grafitot használnak.Az akkumulátorok nagy energiasűrűséggel rendelkeznek, nincs memóriaeffektus (kivéve az LFP cellákat), és alacsony az önkisülésük.Ezek azonban veszélyt jelenthetnek a biztonságra, mivel gyúlékony elektrolitokat tartalmaznak, és ha megsérülnek vagy nem megfelelően töltik fel, robbanáshoz és tüzet okozhatnak.A Samsung kénytelen volt visszahívni a Galaxy Note 7 készülékeket lítium-ion tüzek miatt, és több incidens is történt a Boeing 787-esek akkumulátorával.

A kémia, a teljesítmény, a költség és a biztonsági jellemzők LIB típusonként eltérőek.A kézi elektronika többnyire lítium-polimer akkumulátorokat használ (elektrolitként polimer géllel), lítium-kobalt-oxiddal (LiCoO2) katódanyagként, amely nagy energiasűrűséget kínál, de biztonsági kockázatokat jelent, különösen, ha sérült.A lítium-vas-foszfát (LiFePO4), a lítium-mangán-oxid (LiMn2O4, Li2MnO3 vagy LMO) és a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (LiNiMnCoO2 vagy NMC) alacsonyabb energiasűrűséget, de hosszabb élettartamot és kisebb a tűz vagy robbanás valószínűségét kínálják.Az ilyen akkumulátorokat széles körben használják elektromos szerszámokhoz, orvosi berendezésekhez és egyéb feladatokhoz.Az NMC-t és származékait széles körben használják elektromos járművekben.

A lítium-ion akkumulátorok kutatási területei többek között az élettartam meghosszabbítása, az energiasűrűség növelése, a biztonság javítása, a költségek csökkentése és a töltési sebesség növelése.Kutatások folynak a nem gyúlékony elektrolitok területén, amelyek a tipikus elektrolitban használt szerves oldószerek gyúlékonyságán és illékonyságán alapuló biztonság növelésének útját jelentik.A stratégiák közé tartoznak a vizes lítium-ion akkumulátorok, a kerámia szilárd elektrolitok, a polimer elektrolitok, az ionos folyadékok és az erősen fluorozott rendszerek.

Akkumulátor versus cella

A cella egy alapvető elektrokémiai egység, amely tartalmazza az elektródákat, a szeparátort és az elektrolitot.

Az akkumulátor vagy akkumulátorcsomag cellák vagy cellaegységek gyűjteménye házzal, elektromos csatlakozásokkal és esetleg elektronikával a vezérlés és a védelem érdekében.

Anód és katódelektródák
Az újratölthető cellák esetében az anód (vagy negatív elektród) kifejezés azt az elektródát jelöli, amelyen a kisülési ciklus során oxidáció megy végbe;a másik elektróda a katód (vagy pozitív elektróda).A töltési ciklus során a pozitív elektród az anód, a negatív elektród pedig a katód.A legtöbb lítium-ion cella esetében a lítium-oxid elektróda a pozitív elektróda;titanate lítium-ion cellák (LTO) esetében a lítium-oxid elektród a negatív elektród.

Történelem

Háttér

Varta lítium-ion akkumulátor, Museum Autovision, Altlussheim, Németország
A lítium akkumulátorokat M. Stanley Whittingham brit vegyész és a 2019-es kémiai Nobel-díj társdíjasa javasolta, jelenleg a Binghamtoni Egyetemen dolgozik, miközben az 1970-es években az Exxonnál dolgozott.Whittingham titán(IV)-szulfidot és fémlítiumot használt elektródákként.Ezt az újratölthető lítium akkumulátort azonban soha nem lehetett praktikussá tenni.A titán-diszulfid rossz választás volt, mivel teljesen zárt körülmények között kell szintetizálni, ráadásul meglehetősen drága is (~1000 dollár kilogrammonként a titán-diszulfid nyersanyaga az 1970-es években).Levegőnek kitéve a titán-diszulfid reakcióba lép, és hidrogén-szulfid vegyületeket képez, amelyek kellemetlen szagúak és a legtöbb állat számára mérgezőek.Emiatt és egyéb okok miatt az Exxon leállította a Whittingham lítium-titán-diszulfid akkumulátorának fejlesztését.[28]A fém lítium elektródákkal ellátott akkumulátorok biztonsági problémákat jelentettek, mivel a fém lítium vízzel reagál, és gyúlékony hidrogéngázt szabadít fel.Következésképpen a kutatás olyan akkumulátorok kifejlesztésére irányult, amelyekben a fémes lítium helyett csak lítiumvegyületek vannak jelen, amelyek képesek lítiumionok befogadására és kibocsátására.

A grafitban reverzibilis interkalációt és a katódos oxidokká való interkalációt JO Besenhard fedezte fel 1974–76 között a müncheni TU-ban.Besenhard javasolta az alkalmazását lítiumcellákban.Az elektrolit lebomlása és az oldószerek grafittá történő interkalációja komoly korai hátrányt jelentett az akkumulátor élettartama szempontjából.

Fejlődés

1973 – Adam Heller javasolta a lítium-tionil-klorid akkumulátort, amelyet még mindig használnak beültetett orvosi eszközökben és védelmi rendszerekben, ahol 20 évnél hosszabb eltarthatóság, nagy energiasűrűség és/vagy szélsőséges üzemi hőmérsékletek tűrése szükséges.
1977 – Samar Basu bemutatta a lítium elektrokémiai interkalációját a grafitban a Pennsylvaniai Egyetemen.Ez egy működőképes lítium interkalált grafitelektróda kifejlesztéséhez vezetett a Bell Labs-nál (LiC6), amely alternatívát jelent a lítium-fémelektróda akkumulátorral szemben.
1979 – Külön csoportokban dolgozva Ned A. Godshall és munkatársai, majd nem sokkal ezután John B. Goodenough (Oxfordi Egyetem) és Koichi Mizushima (Tokiói Egyetem) lítiumot használva 4 V-os feszültségű újratölthető lítiumcellát mutattak be. kobalt-dioxid (LiCoO2) pozitív elektróda és lítium fém negatív elektród.Ez az innováció biztosította a pozitív elektródaanyagot, amely lehetővé tette a korai kereskedelmi forgalomban lévő lítium akkumulátorokat.A LiCoO2 egy stabil pozitív elektródaanyag, amely lítium-ionok donoraként működik, ami azt jelenti, hogy a lítium fémtől eltérő negatív elektródaanyaggal is használható.Azáltal, hogy lehetővé tette a stabil és könnyen kezelhető negatív elektródák használatát, a LiCoO2 új, újratölthető akkumulátorrendszereket tett lehetővé.Godshall et al.továbbá azonosította a háromkomponensű lítium-átmeneti fém-oxidok hasonló értékét, mint például a spinell LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 és LiFe5O4 (és később lítium-réz-oxid és lítium-nikkel-oxid katód anyagok 1985-ben).
1980 – Rachid Yazami bemutatta a lítium reverzibilis elektrokémiai interkalációját a grafitban, és feltalálta a lítium-grafit elektródát (anódot).Az akkor rendelkezésre álló szerves elektrolitok a grafit negatív elektródával történő töltés során lebomlanak.Yazami szilárd elektrolitot használt annak bizonyítására, hogy a lítium elektrokémiai mechanizmus révén reverzibilisen beépülhet a grafitba.2011-ben a Yazami grafitelektródája volt a leggyakrabban használt elektróda a kereskedelmi forgalomban kapható lítium-ion akkumulátorokban.
A negatív elektróda a PAS-ból (poliacén félvezető anyag) származik, amelyet Tokio Yamabe, majd később Shjzukuni Yata fedezett fel az 1980-as évek elején.Ennek a technológiának a magva Hideki Shirakawa professzor és csoportja a vezetőképes polimerek felfedezése volt, és úgy is tekinthető, hogy az Alan MacDiarmid és Alan J. Heeger és munkatársai által kifejlesztett poliacetilén-lítium-ion akkumulátorból indult ki.
1982 – Godshall et al.elnyerték a 4 340 652 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmat a LiCoO2 lítium akkumulátorokban katódként történő felhasználására vonatkozóan, a Godshall Stanford Egyetem Ph.D. tanulmánya alapján.értekezés és 1979-es publikációk.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David és John Goodenough kifejlesztett egy mangán spinelt, mint kereskedelmileg releváns töltött katódanyagot lítium-ion akkumulátorokhoz.
1985 – Akira Yoshino összeállított egy prototípus cellát széntartalmú anyag felhasználásával, amelybe az egyik elektródaként lítium-ionokat, a másikba pedig lítium-kobalt-oxidot (LiCoO2) lehetett beilleszteni.Ez jelentősen javította a biztonságot.A LiCoO2 lehetővé tette az ipari méretű gyártást, és lehetővé tette a kereskedelmi forgalomban lévő lítium-ion akkumulátort.
1989 – Arumugam Manthiram és John B. Goodenough felfedezte a katódok polianion osztályát.Kimutatták, hogy a polianionokat, pl. szulfátokat tartalmazó pozitív elektródák a polianion induktív hatása miatt nagyobb feszültséget termelnek, mint az oxidok.Ez a polianion osztály olyan anyagokat tartalmaz, mint a lítium-vas-foszfát.

<folytatás...>