Betri ya lithiamu-ioni au betri ya Li-ion (iliyofupishwa kama LIB) ni aina ya betri inayoweza kuchajiwa tena.Betri za lithiamu-ioni hutumiwa kwa kawaida kwa vifaa vya elektroniki vinavyobebeka na magari ya umeme na zinazidi kupata umaarufu kwa matumizi ya kijeshi na anga.Betri ya mfano ya Li-ion ilitengenezwa na Akira Yoshino mwaka wa 1985, kwa kuzingatia utafiti wa awali wa John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami na Koichi Mizushima wakati wa miaka ya 1970-1980, na kisha betri ya Li-ion ya kibiashara ikatengenezwa na Timu ya Sony na Asahi Kasei iliyoongozwa na Yoshio Nishi mwaka wa 1991. Mnamo 2019, Tuzo ya Nobel ya Kemia ilitolewa kwa Yoshino, Goodenough, na Whittingham "kwa ajili ya maendeleo ya betri za lithiamu ion".

Katika betri, ioni za lithiamu huhamia kutoka kwa electrode hasi kupitia electrolyte hadi electrode chanya wakati wa kutokwa, na kurudi wakati wa malipo.Betri za Li-ion hutumia kiwanja cha lithiamu kilichounganishwa kama nyenzo kwenye elektrodi chanya na kwa kawaida grafiti kwenye elektrodi hasi.Betri zina msongamano mkubwa wa nishati, hakuna athari ya kumbukumbu (isipokuwa seli za LFP) na kutokwa kwa chini kwa kibinafsi.Hata hivyo, zinaweza kuwa hatari kwa usalama kwa kuwa zina elektroliti zinazoweza kuwaka, na zikiharibiwa au kushtakiwa vibaya zinaweza kusababisha milipuko na moto.Samsung ililazimika kukumbuka simu za Galaxy Note 7 kufuatia moto wa lithiamu-ion, na kumekuwa na matukio kadhaa yanayohusisha betri kwenye Boeing 787s.

Sifa za Kemia, utendakazi, gharama na usalama hutofautiana katika aina mbalimbali za LIB.Vifaa vya kielektroniki vinavyoshikiliwa kwa mkono hutumia zaidi betri za lithiamu polima (iliyo na gel ya polima kama elektroliti) iliyo na oksidi ya lithiamu kobalti (LiCoO2) kama nyenzo ya cathode, ambayo hutoa msongamano mkubwa wa nishati, lakini inatoa hatari za usalama, haswa inapoharibiwa.Fosfati ya chuma ya lithiamu (LiFePO4), oksidi ya manganese ya lithiamu (LiMn2O4, Li2MnO3, au LMO), na oksidi ya kobalti ya nikeli ya lithiamu (LiNiMnCoO2 au NMC) hutoa msongamano wa nishati ya chini lakini maisha marefu na uwezekano mdogo wa moto au mlipuko.Betri hizo hutumiwa sana kwa zana za umeme, vifaa vya matibabu, na majukumu mengine.NMC na derivatives yake hutumiwa sana katika magari ya umeme.

Maeneo ya utafiti ya betri za lithiamu-ioni ni pamoja na kuongeza muda wa kuishi, kuongeza msongamano wa nishati, kuboresha usalama, kupunguza gharama na kuongeza kasi ya kuchaji, miongoni mwa mengine.Utafiti umekuwa ukiendelea katika eneo la elektroliti zisizoweza kuwaka kama njia ya kuongezeka kwa usalama kulingana na kuwaka na kubadilika kwa vimumunyisho vya kikaboni vinavyotumiwa katika elektroliti ya kawaida.Mikakati ni pamoja na betri za lithiamu-ioni zenye maji, elektroliti dhabiti za kauri, elektroliti za polima, vimiminiko vya ioni, na mifumo yenye florini sana.

Betri dhidi ya seli

Seli ni kitengo cha msingi cha elektroliti ambacho kina elektrodi, kitenganishi na elektroliti.

Betri au kifurushi cha betri ni mkusanyiko wa seli au mikusanyiko ya seli, iliyo na makazi, miunganisho ya umeme, na ikiwezekana vifaa vya elektroniki kwa udhibiti na ulinzi.

Anode na electrodes ya cathode
Kwa seli zinazoweza kuchajiwa tena, neno anode (au elektrodi hasi) hutaja elektrodi ambapo oxidation hufanyika wakati wa mzunguko wa kutokwa;electrode nyingine ni cathode (au electrode chanya).Wakati wa mzunguko wa malipo, electrode nzuri inakuwa anode na electrode hasi inakuwa cathode.Kwa seli nyingi za lithiamu-ioni, electrode ya lithiamu-oksidi ni electrode nzuri;kwa seli za lithiamu-ioni za titanate (LTO), elektrodi ya lithiamu-oksidi ni elektrodi hasi.

Historia

Usuli

Varta lithiamu-ion betri, Museum Autovision, Altlussheim, Ujerumani
Betri za Lithium zilipendekezwa na mwanakemia Mwingereza na mpokeaji mwenza wa Tuzo ya Nobel ya 2019 ya kemia M. Stanley Whittingham, ambaye sasa yuko Chuo Kikuu cha Binghamton, alipokuwa akifanya kazi kwa Exxon katika miaka ya 1970.Whittingham alitumia titanium(IV) salfidi na chuma cha lithiamu kama elektrodi.Walakini, betri hii ya lithiamu inayoweza kuchajiwa haiwezi kufanywa kuwa ya vitendo.Titanium disulfide ilikuwa chaguo mbaya, kwa kuwa inabidi iunganishwe chini ya hali iliyotiwa muhuri kabisa, pia ikiwa ni ghali kabisa (~$1,000 kwa kilo kwa malighafi ya disulfide ya titani katika miaka ya 1970).Inapofunuliwa na hewa, disulfidi ya titani humenyuka na kutengeneza misombo ya sulfidi hidrojeni, ambayo ina harufu mbaya na ni sumu kwa wanyama wengi.Kwa hili, na sababu nyinginezo, Exxon alikomesha ukuzaji wa betri ya disulfidi ya lithiamu-titani ya Whittingham. [28]Betri zilizo na elektrodi za metali za lithiamu ziliwasilisha masuala ya usalama, kwani metali ya lithiamu humenyuka ikiwa na maji, ikitoa gesi ya hidrojeni inayoweza kuwaka.Kwa hivyo, utafiti ulihamia kutengeneza betri ambazo, badala ya lithiamu ya metali, ni misombo ya lithiamu pekee, ambayo inaweza kukubali na kutoa ioni za lithiamu.

Mwingiliano unaoweza kugeuzwa katika grafiti na upatanishi katika oksidi za kathodi uligunduliwa wakati wa 1974-76 na JO Besenhard huko TU Munich.Besenhard alipendekeza matumizi yake katika seli za lithiamu.Mtengano wa elektroliti na muingiliano wa kutengenezea kwenye grafiti vilikuwa hitilafu kali za mapema kwa maisha ya betri.

Maendeleo

1973 - Adam Heller alipendekeza betri ya lithiamu thionyl kloridi, ambayo bado inatumika katika vifaa vya matibabu vilivyopandikizwa na katika mifumo ya ulinzi ambapo maisha ya rafu ya zaidi ya miaka 20, msongamano mkubwa wa nishati, na/au uvumilivu kwa halijoto kali ya kufanya kazi inahitajika.
1977 - Samar Basu alionyesha mwingiliano wa kielektroniki wa lithiamu kwenye grafiti katika Chuo Kikuu cha Pennsylvania.Hii ilisababisha kutengenezwa kwa elektrodi ya grafiti iliyounganishwa ya lithiamu katika Bell Labs (LiC6) ili kutoa mbadala kwa betri ya elektrodi ya chuma ya lithiamu.
1979 - Wakifanya kazi katika vikundi tofauti, Ned A. Godshall et al., na, muda mfupi baadaye, John B. Goodenough (Chuo Kikuu cha Oxford) na Koichi Mizushima (Chuo Kikuu cha Tokyo), walionyesha seli ya lithiamu inayoweza kuchajiwa na voltage katika safu ya 4 V kwa kutumia lithiamu. dioksidi kobalti (LiCoO2) kama elektrodi chanya na chuma cha lithiamu kama elektrodi hasi.Ubunifu huu ulitoa nyenzo chanya ya elektrodi ambayo iliwezesha betri za lithiamu za kibiashara za mapema.LiCoO2 ni nyenzo thabiti ya elektrodi ambayo hufanya kama mtoaji wa ioni za lithiamu, ambayo inamaanisha kuwa inaweza kutumika na nyenzo hasi ya elektrodi isipokuwa chuma cha lithiamu.Kwa kuwezesha matumizi ya nyenzo za elektrodi hasi zisizobadilika na rahisi kushughulikia, LiCoO2 iliwezesha mifumo ya betri inayoweza kuchajiwa tena.Godshall et al.ilibainisha zaidi thamani sawa ya oksidi za metali za mpito za lithiamu kama vile spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, na LiFe5O4 (na baadaye vifaa vya lithiamu-copper-oxide na lithiamu-nickel-oxide cathode mwaka wa 1985)
1980 - Rachid Yazami alionyesha mwingiliano wa kielektroniki wa lithiamu kwenye grafiti, na akagundua elektrodi ya lithiamu grafiti (anode).Elektroliti za kikaboni zinazopatikana wakati huo zingeweza kuoza wakati wa kuchaji kwa elektrodi hasi ya grafiti.Yazami alitumia elektroliti dhabiti ili kuonyesha kwamba lithiamu inaweza kuunganishwa katika grafiti kupitia utaratibu wa kielektroniki.Kufikia 2011, elektrodi ya grafiti ya Yazami ilikuwa elektrodi iliyotumiwa sana katika betri za lithiamu-ioni za kibiashara.
Electrodi hasi ina asili yake katika PAS (nyenzo ya semiconductive ya polyacenic) iliyogunduliwa na Tokio Yamabe na baadaye na Shjzukuni Yata mwanzoni mwa miaka ya 1980.Mbegu ya teknolojia hii ilikuwa ugunduzi wa polima conductive na Profesa Hideki Shirakawa na kundi lake, na inaweza pia kuonekana kama ilianza kutoka kwa betri ya ioni ya lithiamu ya polyacetylene iliyotengenezwa na Alan MacDiarmid na Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.walitunukiwa Patent ya Marekani 4,340,652 kwa matumizi ya LiCoO2 kama cathode katika betri za lithiamu, kulingana na Chuo Kikuu cha Stanford cha Godshall Ph.D.tasnifu na machapisho ya 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, na John Goodenough walitengeneza spinel ya manganese kama nyenzo ya cathode inayochajiwa kibiashara kwa betri za lithiamu-ion.
1985 - Akira Yoshino alikusanya seli ya mfano kwa kutumia nyenzo ya kaboni ambayo ioni za lithiamu zinaweza kuingizwa kama elektrodi moja, na oksidi ya lithiamu cobalt (LiCoO2) kama nyingine.Hii iliboresha sana usalama.LiCoO2 iliwezesha uzalishaji wa kiwango cha viwanda na kuwezesha betri ya lithiamu-ioni ya kibiashara.
1989 - Arumugam Manthiram na John B. Goodenough waligundua darasa la polyanion ya cathodes.Walionyesha kuwa elektroni chanya zenye polianioni, kwa mfano, salfati, hutokeza volti za juu kuliko oksidi kutokana na athari ya kufata neno ya polyanion.Darasa hili la polyanion lina vifaa kama vile phosphate ya chuma ya lithiamu.

<itaendelea…>