Lithium-ion rafhlaða eða Li-ion rafhlaða (skammstafað sem LIB) er tegund endurhlaðanlegrar rafhlöðu.Lithium-ion rafhlöður eru almennt notaðar fyrir flytjanlegur rafeindatækni og rafknúin farartæki og njóta vaxandi vinsælda fyrir hernaðar- og geimfar.Frumgerð Li-ion rafhlöðu var þróuð af Akira Yoshino árið 1985, byggð á fyrri rannsóknum John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami og Koichi Mizushima á áttunda og níunda áratugnum, og síðan var auglýsing Li-ion rafhlaða þróuð af a Sony og Asahi Kasei teymi undir forystu Yoshio Nishi árið 1991. Árið 2019 voru Nóbelsverðlaunin í efnafræði veitt Yoshino, Goodenough og Whittingham „fyrir þróun á litíumjónarafhlöðum“.

Í rafhlöðunum færast litíumjónir frá neikvæða rafskautinu í gegnum raflausn yfir í jákvæða rafskautið við afhleðslu og til baka við hleðslu.Li-ion rafhlöður nota intercalated litíum efnasamband sem efni við jákvæða rafskautið og venjulega grafít við neikvæða rafskautið.Rafhlöðurnar hafa mikla orkuþéttleika, engin minnisáhrif (önnur en LFP frumur) og litla sjálfsafhleðslu.Þau geta hins vegar verið öryggishætta þar sem þau innihalda eldfimt raflausn og ef þau eru skemmd eða ranglega hlaðin geta þau leitt til sprenginga og elds.Samsung neyddist til að innkalla Galaxy Note 7 símtól í kjölfar litíumjónabruna og það hafa verið nokkur atvik þar sem rafhlöður hafa verið viðriðnir í Boeing 787.

Efnafræði, frammistaða, kostnaður og öryggiseiginleikar eru mismunandi eftir LIB gerðum.Handheld rafeindatækni notar aðallega litíum fjölliða rafhlöður (með fjölliða hlaupi sem raflausn) með litíum kóbaltoxíði (LiCoO2) sem bakskautsefni, sem býður upp á mikla orkuþéttleika, en skapar öryggisáhættu, sérstaklega þegar það skemmist.Litíum járnfosfat (LiFePO4), litíum mangan oxíð (LiMn2O4, Li2MnO3 eða LMO) og litíum nikkel mangan kóbalt oxíð (LiNiMnCoO2 eða NMC) bjóða upp á minni orkuþéttleika en lengri líftíma og minni líkur á eldi eða sprengingu.Slíkar rafhlöður eru mikið notaðar fyrir rafmagnsverkfæri, lækningatæki og önnur hlutverk.NMC og afleiður þess eru mikið notaðar í rafknúnum ökutækjum.

Rannsóknarsvið fyrir litíumjónarafhlöður eru meðal annars að lengja líftíma, auka orkuþéttleika, bæta öryggi, draga úr kostnaði og auka hleðsluhraða, meðal annarra.Rannsóknir hafa verið í gangi á sviði óeldfimra salta sem leið til aukins öryggis sem byggir á eldfimi og rokgjarnleika lífrænu leysiefnanna sem notuð eru í dæmigerða raflausnina.Aðferðirnar fela í sér vatnskenndar litíumjónarafhlöður, keramik raflausnir í föstu formi, fjölliða raflausnir, jónandi vökvar og mjög flúoruð kerfi.

Rafhlaða á móti klefi

Fruma er grunn rafefnafræðileg eining sem inniheldur rafskaut, skilju og raflausn.

Rafhlaða eða rafhlaða pakki er safn frumna eða frumusamsetninga, með húsnæði, rafmagnstengjum og hugsanlega rafeindabúnaði til að stjórna og vernda.

Rafskauts- og bakskautskaut
Fyrir endurhlaðanlegar frumur táknar hugtakið rafskaut (eða neikvætt rafskaut) rafskautið þar sem oxun á sér stað meðan á losunarferlinu stendur;hitt rafskautið er bakskautið (eða jákvæða rafskautið).Í hleðslulotunni verður jákvæða rafskautið að rafskautinu og neikvæða rafskautið að bakskautinu.Fyrir flestar litíumjónafrumur er litíumoxíð rafskautið jákvæða rafskautið;fyrir titanate lithium-ion frumur (LTO), er litíum-oxíð rafskautið neikvæða rafskautið.

Saga

Bakgrunnur

Varta litíumjónarafhlaða, Museum Autovision, Altlussheim, Þýskalandi
Lithium rafhlöður voru lagðar fram af breskum efnafræðingi og meðhafa Nóbelsverðlaunanna í efnafræði 2019 M. Stanley Whittingham, nú við Binghamton háskólann, en hann starfaði hjá Exxon á áttunda áratugnum.Whittingham notaði títan(IV) súlfíð og litíummálm sem rafskaut.Hins vegar var aldrei hægt að gera þessa endurhlaðanlegu litíum rafhlöðu hagnýta.Títantvísúlfíð var lélegur kostur, þar sem það þarf að búa til við algjörlega lokaðar aðstæður, og er líka frekar dýrt (~$1.000 á hvert kíló fyrir títantvísúlfíð hráefni á áttunda áratugnum).Þegar það verður fyrir lofti bregst títantvísúlfíð og myndar brennisteinsvetnissambönd, sem hafa óþægilega lykt og eru eitruð flestum dýrum.Af þessum og öðrum ástæðum hætti Exxon þróun á litíum-títan tvísúlfíð rafhlöðu Whittingham.[28]Rafhlöður með litíum rafskautum úr málmi leiddu til öryggisvandamála, þar sem litíum málmur hvarfast við vatn og losar eldfimt vetnisgas.Þar af leiðandi fóru rannsóknir til að þróa rafhlöður þar sem í stað málmlitíums eru aðeins litíumsambönd til staðar, sem geta tekið við og losað litíumjónir.

Afturkræf innsetning í grafíti og innsetning í kaþódísk oxíð var uppgötvað á árunum 1974–76 af JO Besenhard við TU Munich.Besenhard lagði til notkun þess í litíumfrumum.Niðurbrot raflausna og samflæði leysiefna í grafít voru alvarlegir snemma gallar fyrir endingu rafhlöðunnar.

Þróun

1973 - Adam Heller lagði til litíumþíónýlklóríð rafhlöðuna, sem enn er notuð í ígræddum lækningatækjum og í varnarkerfum þar sem þörf er á meira en 20 ára geymsluþol, mikilli orkuþéttleika og/eða þol fyrir miklum vinnuhita.
1977 - Samar Basu sýndi fram á rafefnafræðilega innsetningu litíums í grafíti við háskólann í Pennsylvaníu.Þetta leiddi til þróunar á nothæfu litíum intercalated grafít rafskaut hjá Bell Labs (LiC6) til að bjóða upp á val við litíum málm rafskaut rafhlöðu.
1979 - Unnið í aðskildum hópum, Ned A. Godshall o.fl., og skömmu síðar John B. Goodenough (Oxford University) og Koichi Mizushima (Tokyo University), sýndu endurhlaðanlega litíumfrumu með spennu á 4 V sviðinu með litíum kóbaltdíoxíð (LiCoO2) sem jákvæða rafskautið og litíummálmur sem neikvæða rafskautið.Þessi nýjung útvegaði jákvætt rafskautsefnið sem gerði litíum rafhlöður í verslunum snemma á markaðnum.LiCoO2 er stöðugt jákvætt rafskautsefni sem virkar sem litíumjónagjafi, sem þýðir að hægt er að nota það með neikvætt rafskautsefni annað en litíummálm.Með því að gera kleift að nota stöðugt og auðvelt að meðhöndla neikvætt rafskautsefni, gerði LiCoO2 ný endurhlaðanleg rafhlöðukerfi kleift.Godshall o.fl.benti enn frekar á svipað gildi þrískiptra efnasambanda litíum-umskiptamálmaoxíða eins og spínel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 og LiFe5O4 (og síðar litíum-kopar-oxíð og litíum-nikkel-oxíð bakskautsefni árið 1985)
1980 - Rachid Yazami sýndi fram á afturkræfa rafefnafræðilega innlimun litíums í grafít og fann upp litíumgrafít rafskautið (skaut).Lífrænu raflausnirnar sem voru tiltækar á þeim tíma myndu brotna niður við hleðslu með grafít neikvæðu rafskauti.Yazami notaði raflausn í föstu formi til að sýna fram á að litíum gæti verið afturkræf í grafít með rafefnafræðilegum búnaði.Frá og með 2011 var grafít rafskaut Yazami mest notaða rafskautið í litíumjónarafhlöðum í atvinnuskyni.
Neikvæða rafskautið á uppruna sinn í PAS (polyacenic semiconductive material) sem Tokio Yamabe uppgötvaði og síðar Shjzukuni Yata snemma á níunda áratugnum.Friðkorn þessarar tækni var uppgötvun leiðandi fjölliða af prófessor Hideki Shirakawa og hópi hans, og það mætti ​​líka líta á hana sem byrjað á pólýasetýlen litíumjónarafhlöðunni sem þróuð var af Alan MacDiarmid og Alan J. Heeger o.fl.
1982 - Godshall o.fl.voru veitt bandarískt einkaleyfi 4.340.652 fyrir notkun LiCoO2 sem bakskaut í litíum rafhlöðum, byggt á Stanford háskóla doktorsgráðu frá Godshall.ritgerð og útgáfur 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David og John Goodenough þróuðu mangan spínel sem hlaðið bakskautsefni fyrir litíumjónarafhlöður.
1985 - Akira Yoshino setti saman frumgerð klefi með því að nota kolefnisefni sem hægt var að setja litíumjónir í sem eina rafskaut og litíumkóbaltoxíð (LiCoO2) sem hina.Þetta stórbætti öryggið.LiCoO2 gerði framleiðslu í iðnaðarskala kleift og gerði litíumjónarafhlöðu í atvinnuskyni kleift.
1989 - Arumugam Manthiram og John B. Goodenough uppgötvuðu pólýanjónaflokk bakskauta.Þeir sýndu að jákvæð rafskaut sem innihalda pólýanjón, td súlföt, framleiða hærri spennu en oxíð vegna framkallandi áhrifa pólýanjónsins.Þessi pólýanjónaflokkur inniheldur efni eins og litíumjárnfosfat.

<framhald…>