Litiumioniakku tai Li-ion-akku (lyhennettynä LIB) on ladattava akkutyyppi.Litiumioniakkuja käytetään yleisesti kannettavassa elektroniikassa ja sähköajoneuvoissa, ja niiden suosio kasvaa sotilas- ja ilmailusovelluksissa.Akira Yoshino kehitti prototyypin litiumioniakun vuonna 1985 John Goodenoughin, M. Stanley Whittinghamin, Rachid Yazamin ja Koichi Mizushiman aikaisempien tutkimusten perusteella 1970-1980-luvulla, ja sitten kaupallisen Li-ion-akun kehitti Sony ja Asahi Kasei -tiimi, jota johti Yoshio Nishi vuonna 1991. Vuonna 2019 kemian Nobelin palkinto myönnettiin Yoshinolle, Goodenoughille ja Whittinghamille "litiumioniakkujen kehittämisestä".

Akuissa litiumionit siirtyvät negatiivisesta elektrodista elektrolyytin kautta positiiviselle elektrodille purkamisen aikana ja takaisin latauksen aikana.Li-ion-akut käyttävät interkaloitua litiumyhdistettä materiaalina positiivisessa elektrodissa ja tyypillisesti grafiittia negatiivisessa elektrodissa.Akuilla on korkea energiatiheys, ei muistiefektiä (muita kuin LFP-kennoja) ja alhainen itsepurkautuminen.Ne voivat kuitenkin olla turvallisuusriski, koska ne sisältävät syttyviä elektrolyyttejä, ja jos ne ovat vaurioituneet tai ladattu väärin, ne voivat johtaa räjähdyksiin ja tulipaloihin.Samsungin oli pakko vetää takaisin Galaxy Note 7 -puhelimet litiumionipalojen jälkeen, ja Boeing 787 -koneiden akkuihin on liittynyt useita tapauksia.

Kemia, suorituskyky, hinta- ja turvallisuusominaisuudet vaihtelevat LIB-tyyppien välillä.Kädessä pidettävässä elektroniikassa käytetään enimmäkseen litiumpolymeeriakkuja (elektrolyyttinä polymeerigeeli) ja katodimateriaalina litiumkobolttioksidia (LiCoO2), joka tarjoaa korkean energiatiheyden, mutta aiheuttaa turvallisuusriskejä varsinkin vaurioituneena.Litiumrautafosfaatti (LiFePO4), litiummangaanioksidi (LiMn2O4, Li2MnO3 tai LMO) ja litiumnikkeli-mangaanikobolttioksidi (LiNiMnCoO2 tai NMC) tarjoavat pienemmän energiatiheyden, mutta pidemmän käyttöiän ja vähemmän tulipalon tai räjähdyksen todennäköisyyttä.Tällaisia ​​akkuja käytetään laajalti sähkötyökaluissa, lääketieteellisissä laitteissa ja muissa tehtävissä.NMC:tä ja sen johdannaisia ​​käytetään laajalti sähköajoneuvoissa.

Litiumioniakkujen tutkimusalueita ovat muun muassa käyttöiän pidentäminen, energiatiheyden lisääminen, turvallisuuden parantaminen, kustannusten alentaminen ja latausnopeuden lisääminen.Palamattomien elektrolyyttien alalla on tehty tutkimusta keinona lisätä turvallisuutta tyypillisessä elektrolyytissä käytettyjen orgaanisten liuottimien syttyvyyden ja haihtuvuuden perusteella.Strategiat sisältävät vesipitoiset litiumioniakut, keraamiset kiinteät elektrolyytit, polymeerielektrolyytit, ioniset nesteet ja voimakkaasti fluoratut järjestelmät.

Akku vs. kenno

Kenno on sähkökemiallinen perusyksikkö, joka sisältää elektrodit, erottimen ja elektrolyytin.

Akku tai akkupaketti on kokoelma kennoja tai kennokokoonpanoja, joissa on kotelo, sähköliitännät ja mahdollisesti elektroniikka ohjausta ja suojaa varten.

Anodi- ja katodielektrodit
Ladattavien kennojen osalta termi anodi (tai negatiivinen elektrodi) tarkoittaa elektrodia, jossa hapettumista tapahtuu purkausjakson aikana;toinen elektrodi on katodi (tai positiivinen elektrodi).Varausjakson aikana positiivisesta elektrodista tulee anodi ja negatiivisesta elektrodista katodi.Useimmissa litiumionikennoissa litiumoksidielektrodi on positiivinen elektrodi;titanaattilitiumionikennoissa (LTO) litiumoksidielektrodi on negatiivinen elektrodi.

Historia

Tausta

Varta litiumioniakku, Museum Autovision, Altlussheim, Saksa
Litiumakkuja ehdotti brittiläinen kemisti ja vuoden 2019 kemian Nobel-palkinnon saaja M. Stanley Whittingham, joka työskentelee nyt Binghamtonin yliopistossa työskennellessään Exxonilla 1970-luvulla.Whittingham käytti elektrodeina titaani(IV)sulfidia ja litiummetallia.Tätä ladattavaa litiumakkua ei kuitenkaan koskaan voitu tehdä käytännölliseksi.Titaanidisulfidi oli huono valinta, koska se on syntetisoitava täysin suljetuissa olosuhteissa, mikä on myös melko kallista (~1 000 dollaria kilogrammalta titaanidisulfidiraaka-aineesta 1970-luvulla).Altistuessaan ilmalle titaanidisulfidi reagoi muodostaen rikkivetyyhdisteitä, joilla on epämiellyttävä haju ja jotka ovat myrkyllisiä useimmille eläimille.Tästä ja muista syistä Exxon lopetti Whittinghamin litium-titaanidisulfidi-akun kehittämisen.[28]Akut, joissa on metalliset litiumelektrodit, aiheuttivat turvallisuusongelmia, koska litiummetalli reagoi veden kanssa vapauttaen syttyvää vetykaasua.Tämän seurauksena tutkimus siirtyi kehittämään akkuja, joissa metallisen litiumin sijaan on läsnä vain litiumyhdisteitä, jotka pystyvät vastaanottamaan ja vapauttamaan litiumioneja.

JO Besenhard TU Münchenissä havaitsi grafiitin palautuvan interkalaation ja katodiksideiksi interkalaation vuosina 1974–1976.Besenhard ehdotti sen käyttöä litiumkennoissa.Elektrolyytin hajoaminen ja liuottimen interkaloituminen grafiitiksi olivat vakavia varhaisia ​​haittoja akun käyttöiän kannalta.

Kehitys

1973 – Adam Heller ehdotti litiumtionyylikloridiakkua, jota käytetään edelleen implantoiduissa lääketieteellisissä laitteissa ja puolustusjärjestelmissä, joissa vaaditaan yli 20 vuoden säilyvyysaikaa, korkeaa energiatiheyttä ja/tai äärimmäisten käyttölämpötilojen sietokykyä.
1977 - Samar Basu osoitti litiumin sähkökemiallista interkalaatiota grafiitissa Pennsylvanian yliopistossa.Tämä johti toimivan litium-interkaloidun grafiittielektrodin kehittämiseen Bell Labsissa (LiC6), joka tarjoaa vaihtoehdon litiummetallielektrodiakulle.
1979 – Erillisissä ryhmissä työskennelleet Ned A. Godshall et al. ja pian sen jälkeen John B. Goodenough (Oxfordin yliopisto) ja Koichi Mizushima (Tokyon yliopisto) esittelivät ladattavan litiumkennon, jonka jännite on 4 V ja jossa käytetään litiumia. kobolttidioksidi (LiCoO2) positiivisena elektrodina ja litiummetalli negatiivisena elektrodina.Tämä innovaatio tarjosi positiivisen elektrodimateriaalin, joka mahdollisti varhaiset kaupalliset litiumakut.LiCoO2 on stabiili positiivinen elektrodimateriaali, joka toimii litiumionien luovuttajana, mikä tarkoittaa, että sitä voidaan käyttää muun negatiivisen elektrodimateriaalin kuin litiummetallin kanssa.LiCoO2 mahdollistaa uudet ladattavat akkujärjestelmät mahdollistamalla vakaiden ja helposti käsiteltävien negatiivisten elektrodien materiaalien käytön.Godshall et ai.Lisäksi tunnistettiin kolmikomponenttisten litium-siirtymämetallioksidien, kuten spinellin LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 ja LiFe5O4 (ja myöhemmin litium-kuparioksidi- ja litium-nikkelioksidikatodimateriaalit vuonna 1985), samanlainen arvo.
1980 – Rachid Yazami osoitti litiumin palautuvan sähkökemiallisen interkalaation grafiitissa ja keksi litiumgrafiittielektrodin (anodin).Tuolloin saatavilla olevat orgaaniset elektrolyytit hajosivat latauksen aikana negatiivisella grafiittielektrodilla.Yazami käytti kiinteää elektrolyyttiä osoittaakseen, että litium voidaan palautuvasti interkaloida grafiittiin sähkökemiallisen mekanismin kautta.Vuodesta 2011 lähtien Yazamin grafiittielektrodi oli yleisimmin käytetty elektrodi kaupallisissa litiumioniakuissa.
Negatiivinen elektrodi on saanut alkunsa Tokio Yamaben ja myöhemmin Shjzukuni Yatan 1980-luvun alussa löytämästä PAS:sta (polyacenic semiconductive material).Tämän tekniikan siemen oli professori Hideki Shirakawa ja hänen ryhmänsä löytämä johtavia polymeerejä, ja sen voitiin myös nähdä alkaneen Alan MacDiarmidin ja Alan J. Heegerin et al. kehittämästä polyasetyleenilitiumioniakusta.
1982 – Godshall et ai.saivat US-patentin 4 340 652 LiCoO2:n käytöstä katodeina litiumakuissa, perustuen Godshallin Stanfordin yliopiston tohtorintutkintoon.väitöskirja ja 1979 julkaisut.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David ja John Goodenough kehittivät mangaanispinellin kaupallisesti merkitykselliseksi ladatuksi katodimateriaaliksi litiumioniakkuja varten.
1985 – Akira Yoshino kokosi prototyyppikennon käyttämällä hiilipitoista materiaalia, johon litiumioneja voitiin työntää yhtenä elektrodina ja litiumkobolttioksidia (LiCoO2) toisena elektrodina.Tämä paransi turvallisuutta huomattavasti.LiCoO2 mahdollisti teollisen tuotannon ja kaupallisen litiumioniakun.
1989 – Arumugam Manthiram ja John B. Goodenough löysivät katodien polyanioniluokan.He osoittivat, että polyanioneja, esim. sulfaatteja, sisältävät positiiviset elektrodit tuottavat korkeampia jännitteitä kuin oksidit polyanionin induktiivisen vaikutuksen vuoksi.Tämä polyanioniluokka sisältää materiaaleja, kuten litiumrautafosfaattia.

<jatkoa...>