Una bateria d'ions de liti o bateria de ions de liti (abreujada com a LIB) és un tipus de bateria recarregable.Les bateries d'ió de liti s'utilitzen habitualment per a l'electrònica portàtil i els vehicles elèctrics i estan creixent en popularitat per a aplicacions militars i aeroespacials.Akira Yoshino va desenvolupar un prototip de bateria d'ions de liti el 1985, basat en investigacions anteriors de John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami i Koichi Mizushima durant les dècades de 1970-1980, i després una bateria comercial d'ions de liti va ser desenvolupada per un L'equip de Sony i Asahi Kasei dirigit per Yoshio Nishi l'any 1991. El 2019, el Premi Nobel de Química va ser atorgat a Yoshino, Goodenough i Whittingham "pel desenvolupament de bateries d'ions de liti".

A les bateries, els ions de liti es mouen des de l'elèctrode negatiu a través d'un electròlit fins a l'elèctrode positiu durant la descàrrega i de tornada quan es carreguen.Les bateries d'ió de liti utilitzen un compost de liti intercalat com a material a l'elèctrode positiu i normalment grafit a l'elèctrode negatiu.Les bateries tenen una alta densitat d'energia, cap efecte de memòria (a part de les cèl·lules LFP) i una baixa autodescàrrega.Tanmateix, poden suposar un perill per a la seguretat, ja que contenen electròlits inflamables i, si es fan malbé o es carreguen incorrectament, poden provocar explosions i incendis.Samsung es va veure obligat a retirar els telèfons Galaxy Note 7 després d'incendis d'ions de liti i hi ha hagut diversos incidents relacionats amb les bateries dels Boeing 787.

Les característiques de química, rendiment, cost i seguretat varien segons els tipus de LIB.L'electrònica de mà utilitza principalment bateries de polímer de liti (amb un gel de polímer com a electròlit) amb òxid de cobalt de liti (LiCoO2) com a material càtode, que ofereix una alta densitat d'energia, però presenta riscos de seguretat, especialment quan està danyat.El fosfat de ferro de liti (LiFePO4), l'òxid de manganès de liti (LiMn2O4, Li2MnO3 o LMO) i l'òxid de cobalt de manganès de liti (LiNiMnCoO2 o NMC) ofereixen una densitat d'energia més baixa, però una vida més llarga i menys probabilitat d'incendi o explosió.Aquestes bateries s'utilitzen àmpliament per a eines elèctriques, equips mèdics i altres funcions.NMC i els seus derivats s'utilitzen àmpliament en vehicles elèctrics.

Les àrees de recerca de les bateries d'ions de liti inclouen allargar la vida útil, augmentar la densitat d'energia, millorar la seguretat, reduir costos i augmentar la velocitat de càrrega, entre d'altres.S'està investigant en l'àrea dels electròlits no inflamables com a via per augmentar la seguretat basada en la inflamabilitat i la volatilitat dels dissolvents orgànics utilitzats en l'electròlit típic.Les estratègies inclouen bateries d'ions de liti aquoses, electròlits sòlids ceràmics, electròlits de polímers, líquids iònics i sistemes molt fluorats.

Bateria versus cèl·lula

Una cèl·lula és una unitat electroquímica bàsica que conté els elèctrodes, el separador i l'electròlit.

Una bateria o paquet de bateries és una col·lecció de cèl·lules o conjunts de cèl·lules, amb carcassa, connexions elèctriques i possiblement electrònica per al control i la protecció.

Elèctrodes ànode i càtode
Per a les cèl·lules recarregables, el terme ànode (o elèctrode negatiu) designa l'elèctrode on s'està produint l'oxidació durant el cicle de descàrrega;l'altre elèctrode és el càtode (o elèctrode positiu).Durant el cicle de càrrega, l'elèctrode positiu es converteix en ànode i l'elèctrode negatiu en càtode.Per a la majoria de cèl·lules d'ions de liti, l'elèctrode d'òxid de liti és l'elèctrode positiu;per a les cèl·lules d'ions de liti de titanat (LTO), l'elèctrode d'òxid de liti és l'elèctrode negatiu.

Història

Fons

Bateria d'ions de liti Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Alemanya
Les bateries de liti van ser proposades pel químic britànic i co-receptor del premi Nobel de química 2019 M. Stanley Whittingham, ara a la Universitat de Binghamton, mentre treballava per a Exxon als anys setanta.Whittingham va utilitzar sulfur de titani (IV) i metall de liti com a elèctrodes.Tanmateix, aquesta bateria de liti recarregable mai no es podria fer pràctica.El disulfur de titani va ser una mala elecció, ja que s'ha de sintetitzar en condicions completament segellades, i també és bastant car (~ 1.000 dòlars per quilogram per a la matèria primera de disulfur de titani als anys setanta).Quan s'exposa a l'aire, el disulfur de titani reacciona formant compostos de sulfur d'hidrogen, que tenen una olor desagradable i són tòxics per a la majoria dels animals.Per això, i altres motius, Exxon va interrompre el desenvolupament de la bateria de disulfur de liti i titani de Whittingham.[28]Les bateries amb elèctrodes metàl·lics de liti presentaven problemes de seguretat, ja que el metall de liti reacciona amb l'aigua, alliberant gas hidrogen inflamable.En conseqüència, la investigació es va traslladar a desenvolupar bateries en les quals, en comptes de liti metàl·lic, només hi ha compostos de liti, capaços d'acceptar i alliberar ions de liti.

La intercalació reversible en grafit i la intercalació en òxids catòdics va ser descoberta entre 1974 i 1976 per JO Besenhard a TU Munich.Besenhard va proposar la seva aplicació en cèl·lules de liti.La descomposició d'electròlits i la co-intercalació de dissolvents en grafit van ser greus inconvenients primerencs per a la durada de la bateria.

Desenvolupament

1973 - Adam Heller va proposar la bateria de clorur de tionil de liti, encara utilitzada en dispositius mèdics implantats i en sistemes de defensa on es requereix una vida útil superior a 20 anys, una alta densitat d'energia i/o tolerància a temperatures de funcionament extremes.
1977 - Samar Basu va demostrar la intercalació electroquímica de liti en grafit a la Universitat de Pennsilvània.Això va conduir al desenvolupament d'un elèctrode de grafit intercalat de liti viable a Bell Labs (LiC6) per proporcionar una alternativa a la bateria d'elèctrodes de metall de liti.
1979 - Treballant en grups separats, Ned A. Godshall et al., i, poc després, John B. Goodenough (Universitat d'Oxford) i Koichi Mizushima (Universitat de Tòquio), van demostrar una pila de liti recarregable amb una tensió del rang de 4 V utilitzant liti diòxid de cobalt (LiCoO2) com a elèctrode positiu i metall de liti com a elèctrode negatiu.Aquesta innovació va proporcionar el material d'elèctrode positiu que va permetre les primeres bateries comercials de liti.LiCoO2 és un material d'elèctrode positiu estable que actua com a donant d'ions de liti, el que significa que es pot utilitzar amb un material d'elèctrode negatiu diferent del metall de liti.En permetre l'ús de materials d'elèctrodes negatius estables i fàcils de manejar, LiCoO2 va permetre nous sistemes de bateries recarregables.Godshall et al.A més, va identificar el valor similar dels òxids metàl·lics de transició de liti compostos ternaris com l'espinela LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 i LiFe5O4 (i més tard materials càtods de liti-coure i òxid de liti-níquel-òxid a 1985)
1980 - Rachid Yazami va demostrar la intercalació electroquímica reversible del liti en el grafit i va inventar l'elèctrode de grafit de liti (ànode).Els electròlits orgànics disponibles en aquell moment es descompondrien durant la càrrega amb un elèctrode negatiu de grafit.Yazami va utilitzar un electròlit sòlid per demostrar que el liti es podia intercalar de manera reversible en el grafit mitjançant un mecanisme electroquímic.A partir de 2011, l'elèctrode de grafit de Yazami era l'elèctrode més utilitzat en bateries comercials d'ió de liti.
L'elèctrode negatiu té el seu origen en el PAS (material semiconductor poliacènic) descobert per Tokio Yamabe i posteriorment per Shjzukuni Yata a principis dels anys vuitanta.La llavor d'aquesta tecnologia va ser el descobriment de polímers conductors pel professor Hideki Shirakawa i el seu grup, i també es podria considerar que va partir de la bateria d'ions de liti de poliacetilè desenvolupada per Alan MacDiarmid i Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.van rebre la patent dels EUA 4.340.652 per l'ús de LiCoO2 com a càtodes en bateries de liti, basat en el doctorat de la Universitat de Stanford de Godshall.tesi i publicacions de 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David i John Goodenough van desenvolupar una espinela de manganès com a material de càtode carregat comercialment rellevant per a bateries d'ions de liti.
1985 - Akira Yoshino va muntar un prototip de cèl·lula utilitzant material carbonós en el qual es podien inserir ions de liti com un elèctrode i òxid de cobalt de liti (LiCoO2) com a altre.Això va millorar dràsticament la seguretat.LiCoO2 va permetre la producció a escala industrial i va permetre la bateria comercial d'ions de liti.
1989 - Arumugam Manthiram i John B. Goodenough van descobrir la classe de càtodes polianions.Van demostrar que els elèctrodes positius que contenen polianions, per exemple, sulfats, produeixen voltatges més alts que els òxids a causa de l'efecte inductiu del polianió.Aquesta classe de polianions conté materials com el fosfat de ferro de liti.

<per continuar...>