Mae batri lithiwm-ion neu batri Li-ion (a dalfyrrir fel LIB) yn fath o fatri y gellir ei ailwefru.Defnyddir batris lithiwm-ion yn gyffredin ar gyfer electroneg cludadwy a cherbydau trydan ac maent yn dod yn fwyfwy poblogaidd ar gyfer cymwysiadau milwrol ac awyrofod.Datblygwyd prototeip o fatri Li-ion gan Akira Yoshino ym 1985, yn seiliedig ar ymchwil cynharach gan John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami a Koichi Mizushima yn ystod y 1970au–1980au, ac yna datblygwyd batri Li-ion masnachol gan a Tîm Sony a Asahi Kasei dan arweiniad Yoshio Nishi yn 1991. Yn 2019, rhoddwyd Gwobr Nobel mewn Cemeg i Yoshino, Goodenough, a Whittingham “ar gyfer datblygu batris ïon lithiwm”.

Yn y batris, mae ïonau lithiwm yn symud o'r electrod negyddol trwy electrolyte i'r electrod positif yn ystod rhyddhau, ac yn ôl wrth wefru.Mae batris Li-ion yn defnyddio cyfansawdd lithiwm rhyngosodedig fel y deunydd yn yr electrod positif ac yn nodweddiadol graffit wrth yr electrod negyddol.Mae gan y batris ddwysedd ynni uchel, dim effaith cof (ac eithrio celloedd LFP) a hunan-ollwng isel.Fodd bynnag, gallant fod yn berygl diogelwch gan eu bod yn cynnwys electrolytau fflamadwy, ac os cânt eu difrodi neu eu gwefru'n anghywir gallant arwain at ffrwydradau a thanau.Gorfodwyd Samsung i gofio setiau llaw Galaxy Note 7 yn dilyn tanau lithiwm-ion, a bu sawl digwyddiad yn ymwneud â batris ar Boeing 787s.

Mae nodweddion cemeg, perfformiad, cost a diogelwch yn amrywio ar draws mathau LIB.Mae electroneg llaw yn bennaf yn defnyddio batris polymer lithiwm (gyda gel polymer fel electrolyte) gyda lithiwm cobalt ocsid (LiCoO2) fel deunydd catod, sy'n cynnig dwysedd ynni uchel, ond sy'n cyflwyno risgiau diogelwch, yn enwedig pan gaiff ei ddifrodi.Mae ffosffad haearn lithiwm (LiFePO4), lithiwm manganîs ocsid (LiMn2O4, Li2MnO3, neu LMO), a lithiwm nicel manganîs cobalt ocsid (LiNiMnCoO2 neu NMC) yn cynnig dwysedd ynni is ond bywydau hirach a llai o debygolrwydd o dân neu ffrwydrad.Defnyddir batris o'r fath yn eang ar gyfer offer trydan, offer meddygol, a rolau eraill.Defnyddir NMC a'i ddeilliadau yn eang mewn cerbydau trydan.

Mae meysydd ymchwil ar gyfer batris lithiwm-ion yn cynnwys ymestyn oes, cynyddu dwysedd ynni, gwella diogelwch, lleihau cost, a chynyddu cyflymder codi tâl, ymhlith eraill.Mae ymchwil wedi bod ar y gweill ym maes electrolytau anfflamadwy fel llwybr i fwy o ddiogelwch yn seiliedig ar fflamadwyedd ac anweddolrwydd y toddyddion organig a ddefnyddir yn yr electrolyte nodweddiadol.Mae'r strategaethau'n cynnwys batris lithiwm-ion dyfrllyd, electrolytau solet ceramig, electrolytau polymer, hylifau ïonig, a systemau fflworinedig iawn.

Batri yn erbyn cell

Mae cell yn uned electrocemegol sylfaenol sy'n cynnwys yr electrodau, y gwahanydd a'r electrolyte.

Mae batri neu becyn batri yn gasgliad o gelloedd neu gynulliadau celloedd, gyda thai, cysylltiadau trydanol, ac o bosibl electroneg ar gyfer rheoli ac amddiffyn.

Electrodau anod a catod
Ar gyfer celloedd y gellir eu hailwefru, mae'r term anod (neu electrod negyddol) yn dynodi'r electrod lle mae ocsidiad yn digwydd yn ystod y cylch rhyddhau;yr electrod arall yw'r catod (neu'r electrod positif).Yn ystod y cylch gwefr, mae'r electrod positif yn dod yn anod a'r electrod negyddol yn dod yn gatod.Ar gyfer y rhan fwyaf o gelloedd lithiwm-ion, yr electrod lithiwm-ocsid yw'r electrod positif;ar gyfer celloedd lithiwm-ion titanate (LTO), yr electrod lithiwm-ocsid yw'r electrod negyddol.

Hanes

Cefndir

Varta batri lithiwm-ion, Museum Autovision, Altlussheim, yr Almaen
Cynigiwyd batris lithiwm gan gemegydd Prydeinig a chyd-dderbynnydd gwobr Nobel 2019 ar gyfer cemeg M. Stanley Whittingham, sydd bellach ym Mhrifysgol Binghamton, tra'n gweithio i Exxon yn y 1970au.Defnyddiodd Whittingham sylffid titaniwm(IV) a metel lithiwm fel yr electrodau.Fodd bynnag, ni ellid byth wneud y batri lithiwm aildrydanadwy hwn yn ymarferol.Roedd disulfide titaniwm yn ddewis gwael, gan fod yn rhaid ei syntheseiddio o dan amodau wedi'u selio'n llwyr, hefyd yn eithaf drud (~$1,000 y cilogram ar gyfer deunydd crai disulfide titaniwm yn y 1970au).Pan fydd yn agored i aer, mae disulfide titaniwm yn adweithio i ffurfio cyfansoddion hydrogen sylffid, sydd ag arogl annymunol ac sy'n wenwynig i'r rhan fwyaf o anifeiliaid.Am hyn, a rhesymau eraill, rhoddodd Exxon y gorau i ddatblygu batri disulfide lithiwm-titaniwm Whittingham.[28]Cyflwynodd batris ag electrodau lithiwm metelaidd faterion diogelwch, wrth i fetel lithiwm adweithio â dŵr, gan ryddhau nwy hydrogen fflamadwy.O ganlyniad, symudodd ymchwil i ddatblygu batris lle, yn hytrach na lithiwm metelaidd, dim ond cyfansoddion lithiwm sy'n bresennol, sy'n gallu derbyn a rhyddhau ïonau lithiwm.

Darganfuwyd rhyngosod cildroadwy mewn graffit a rhyngosod yn ocsidau cathodig yn ystod 1974-76 gan JO Besenhard yn TU Munich.Cynigiodd Besenhard ei gymhwyso mewn celloedd lithiwm.Roedd dadelfeniad electrolyte a chyd-intercalation toddyddion yn graffit yn anfanteision cynnar difrifol i fywyd batri.

Datblygiad

1973 - Cynigiodd Adam Heller y batri lithiwm thionyl clorid, sy'n dal i gael ei ddefnyddio mewn dyfeisiau meddygol wedi'u mewnblannu ac mewn systemau amddiffyn lle mae angen oes silff mwy nag 20 mlynedd, dwysedd ynni uchel, a / neu oddefgarwch ar gyfer tymereddau gweithredu eithafol.
1977 - Dangosodd Samar Basu ryngosod electrocemegol o lithiwm mewn graffit ym Mhrifysgol Pennsylvania.Arweiniodd hyn at ddatblygiad electrod graffit rhyngosodedig lithiwm ymarferol yn Bell Labs (LiC6) i ddarparu dewis arall i'r batri electrod metel lithiwm.
1979 - Gan weithio mewn grwpiau ar wahân, dangosodd Ned A. Godshall et al., ac, yn fuan wedi hynny, John B. Goodenough (Prifysgol Rhydychen) a Koichi Mizushima (Prifysgol Tokyo), gell lithiwm y gellir ei hailwefru â foltedd yn yr ystod 4 V gan ddefnyddio lithiwm cobalt deuocsid (LiCoO2) fel yr electrod positif a metel lithiwm fel yr electrod negyddol.Darparodd yr arloesedd hwn y deunydd electrod positif a alluogodd batris lithiwm masnachol cynnar.Mae LiCoO2 yn ddeunydd electrod positif sefydlog sy'n gweithredu fel rhoddwr ïonau lithiwm, sy'n golygu y gellir ei ddefnyddio gyda deunydd electrod negyddol heblaw metel lithiwm.Trwy alluogi'r defnydd o ddeunyddiau electrod negyddol sefydlog a hawdd eu trin, galluogodd LiCoO2 systemau batri aildrydanadwy newydd.Mae Godshall et al.nodi ymhellach werth tebyg ocsidau metel-trosiannol lithiwm-trosiannol teiran fel y spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, a LiFe5O4 (a deunyddiau catod lithiwm-copr-ocsid a lithiwm-nicel-ocsid diweddarach ym 1985)
1980 - Dangosodd Rachid Yazami y rhyngosod electrocemegol cildroadwy o lithiwm mewn graffit, a dyfeisiodd yr electrod graffit lithiwm (anod).Byddai'r electrolytau organig sydd ar gael ar y pryd yn dadelfennu wrth godi tâl ag electrod negatif graffit.Defnyddiodd Yazami electrolyt solet i ddangos y gellid rhyngosod lithiwm yn wrthdroadwy mewn graffit trwy fecanwaith electrocemegol.O 2011 ymlaen, electrod graffit Yazami oedd yr electrod a ddefnyddiwyd amlaf mewn batris lithiwm-ion masnachol.
Mae gwreiddiau'r electrod negyddol yn PAS (deunydd lled-ddargludol polyacenig) a ddarganfuwyd gan Tokio Yamabe ac yn ddiweddarach gan Shjzukuni Yata ar ddechrau'r 1980au.Hedyn y dechnoleg hon oedd darganfyddiad polymerau dargludol gan yr Athro Hideki Shirakawa a'i grŵp, a gellid ystyried ei fod hefyd wedi cychwyn o'r batri ïon lithiwm polyacetylene a ddatblygwyd gan Alan MacDiarmid ac Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.dyfarnwyd Patent yr UD 4,340,652 iddynt am ddefnyddio LiCoO2 fel cathodes mewn batris lithiwm, yn seiliedig ar Ph.D.traethawd hir a chyhoeddiadau 1979.
1983 - Datblygodd Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, a John Goodenough asgwrn cefn manganîs fel deunydd catod â gwefr fasnachol berthnasol ar gyfer batris lithiwm-ion.
1985 - Cynullodd Akira Yoshino gell brototeip gan ddefnyddio deunydd carbonaidd y gellid mewnosod ïonau lithiwm ynddi fel un electrod, a lithiwm cobalt ocsid (LiCoO2) fel y llall.Fe wnaeth hyn wella diogelwch yn aruthrol.Galluogodd LiCoO2 gynhyrchu ar raddfa ddiwydiannol a galluogi'r batri lithiwm-ion masnachol.
1989 - Darganfu Arumugam Manthiram a John B. Goodenough y dosbarth polyanion o gathodau.Maent yn dangos bod electrodau positif sy'n cynnwys polyanionau, ee, sylffadau, yn cynhyrchu folteddau uwch nag ocsidau oherwydd effaith anwythol y polyanion.Mae'r dosbarth polyanion hwn yn cynnwys deunyddiau megis ffosffad haearn lithiwm.

<i'w barhau…>