Litio-ioizko bateria edo Li-ioizko bateria (LIB gisa laburtua) bateria kargagarri mota bat da.Litio-ioizko bateriak elektronika eramangarrietarako eta ibilgailu elektrikoetarako erabiltzen dira eta ospea gero eta handiagoa da aplikazio militar eta aeroespazialetarako.1985ean Akira Yoshinok Li-ioi bateria prototipo bat garatu zuen, John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami eta Koichi Mizushima 1970-1980ko hamarkadetan egindako ikerketetan oinarrituta, eta, ondoren, Li-ioizko bateria komertziala garatu zuen batek. Yoshio Nishi-k zuzendutako Sony eta Asahi Kasei taldea 1991n. 2019an, Kimikako Nobel Saria Yoshino, Goodenough eta Whittingham-i eman zieten "litio ioizko bateriak garatzeagatik".

Baterietan, litio-ioiak elektrodo negatibotik elektrolito baten bidez elektrodo positibora mugitzen dira deskargan, eta kargatzean atzera.Li-ioizko bateriek elektrodo positiboko material gisa litio konposatu interkalatua erabiltzen dute eta elektrodo negatiboan normalean grafitoa.Bateriek energia-dentsitate handia dute, ez dute memoria-efekturik (LFP zelulak ez ezik) eta autodeskarga baxua dute.Hala ere, segurtasun arriskua izan daiteke elektrolito sukoiak dituztenez, eta kaltetuta edo gaizki kargatuz gero, leherketak eta suteak eragin ditzakete.Samsung-ek Galaxy Note 7 telefonoak gogoratzera behartu zituen litio-ioizko suteen ondorioz, eta hainbat istilu izan dira Boeing 787s-en baterien inguruan.

Kimika, errendimendua, kostua eta segurtasun ezaugarriak LIB motaren arabera aldatzen dira.Eskuko elektronikak gehienbat litio polimerozko bateriak erabiltzen ditu (elektrolito gisa polimero-gel batekin) litio kobalto oxidoarekin (LiCoO2) material katodo gisa, energia-dentsitate handia eskaintzen duena, baina segurtasun-arriskua dakar, batez ere hondatuta dagoenean.Litio burdin fosfatoak (LiFePO4), litio manganeso oxidoak (LiMn2O4, Li2MnO3 edo LMO) eta litio nikel manganeso kobalto oxidoak (LiNiMnCoO2 edo NMC) energia-dentsitate txikiagoa eskaintzen dute, baina bizitza luzeagoa eta sute edo leherketa probabilitate txikiagoa eskaintzen dute.Horrelako bateriak oso erabiliak dira tresna elektrikoetarako, ekipo medikoetarako eta beste zereginetarako.NMC eta bere deribatuak oso erabiliak dira ibilgailu elektrikoetan.

Litio-ioizko baterien ikerketa arloak honako hauek dira: bizitza luzatzea, energia-dentsitatea areagotzea, segurtasuna hobetzea, kostuak murriztea eta kargatzeko abiadura handitzea, besteak beste.Elektrolito ez-sukoien arloan ikerketak egiten ari dira, elektrolito arruntean erabiltzen diren disolbatzaile organikoen sukoitasunean eta hegazkortasunean oinarritutako segurtasuna areagotzeko bide gisa.Estrategien artean, litio-ioizko bateria urtsuak, zeramikazko elektrolito solidoak, polimero elektrolitoak, likido ionikoak eta oso fluoratutako sistemak daude.

Bateria versus zelula

Zelula bat elektrodoak, bereizleak eta elektrolitoak dituen oinarrizko unitate elektrokimikoa da.

Bateria edo bateria multzoa zelula edo zelula multzoen multzoa da, karkasa, konexio elektrikoak eta, agian, kontrol eta babeserako elektronika dituena.

Anodo eta katodo elektrodoak
Zelula kargagarrietarako, anodo terminoak (edo elektrodo negatiboa) deskarga-zikloan oxidazioa gertatzen ari den elektrodoa izendatzen du;beste elektrodoa katodoa (edo elektrodo positiboa) da.Karga-zikloan, elektrodo positiboa anodo bihurtzen da eta elektrodo negatiboa katodo.Litio-ioizko zelula gehienentzat, litio-oxidozko elektrodoa elektrodo positiboa da;litio-ioizko zeluletan (LTO), litio-oxidozko elektrodoa elektrodo negatiboa da.

Historia

Aurrekariak

Varta litio-ioizko bateria, Museum Autovision, Altlussheim, Alemania
Litiozko bateriak M. Stanley Whittingham kimikari britainiarrak eta 2019ko Kimikako Nobel sariaren kohartzaileak proposatu zituen, gaur egun Binghamton Unibertsitatean, 1970eko hamarkadan Exxonen lanean ari zela.Whittinghamek titanio (IV) sulfuroa eta litio metala erabili zituen elektrodo gisa.Hala ere, litiozko bateria kargagarri hau ezin izan da inoiz praktiko bihurtu.Titanio disulfuroa aukera txarra izan zen, erabat zigilatutako baldintzetan sintetizatu behar baita, nahiko garestia ere (~ 1.000 $ kilogramoko titanio disulfuroko lehengairako 1970eko hamarkadan).Airearen eraginpean, titanio disulfuroak hidrogeno sulfuroaren konposatuak sortzen ditu, usain desatsegina duten eta animalia gehienentzat toxikoak direnak.Horregatik, eta beste arrazoi batzuengatik, Exxonek Whittingham-en litio-titanio disulfurozko bateriaren garapena eten zuen.[28]Litio-elektrodo metalikodun bateriek segurtasun arazoak zituzten, litio metalak urarekin erreakzionatzen baitu, hidrogeno gas sukoia askatuz.Ondorioz, litio metalikoaren ordez, litio-konposatuak soilik dauden bateriak garatzeko ikerketak bultzatu ziren, litio ioiak hartzeko eta askatzeko gai izanik.

Grafitoaren arteko interkalazio itzulgarria eta oxido katodikoetan elkarrekikoa 1974-76 bitartean aurkitu zuen JO Besenhardek TU Munich-en.Besenhardek litio-zeluletan aplikatzea proposatu zuen.Elektrolitoen deskonposizioa eta disolbatzaileak grafitoarekin batera interkalatzea bateriaren iraupenerako eragozpen larriak izan ziren.

Garapena

1973 - Adam Heller-ek litio-tionil kloruroko bateria proposatu zuen, oraindik ere inplantatutako gailu medikoetan eta defentsa-sistemetan erabiltzen dena, non 20 urteko iraupena, energia-dentsitate handia eta/edo funtzionamendu-tenperatura muturreko tolerantzia behar diren.
1977 - Samar Basuk litioaren interkalazio elektrokimikoa grafitoan frogatu zuen Pennsylvaniako Unibertsitatean.Horri esker, Bell Labs-en (LiC6) litio arteko grafito-elektrodo erabilgarri bat garatu zen, litio metalezko elektrodoen bateriari alternatiba bat emateko.
1979 - Talde bereizietan lanean, Ned A. Godshall et al., eta, handik gutxira, John B. Goodenough (Oxford Unibertsitatea) eta Koichi Mizushima (Tokioko Unibertsitatea), litiozko zelula kargagarri bat frogatu zuten 4 V-ko tentsioa zuen litioa erabiliz. kobalto dioxidoa (LiCoO2) elektrodo positibo gisa eta litio metalikoa elektrodo negatibo gisa.Berrikuntza honek litiozko bateria komertzialak ahalbidetzen zituen elektrodo positiboaren materiala eman zuen.LiCoO2 elektrodo positibo-material egonkorra da, litio ioien emaile gisa jokatzen duena, hau da, litio metalikoa ez den elektrodo negatiboko material batekin erabil daiteke.Elektrodo negatiboen material egonkorrak eta maneiatzeko errazak erabiltzea ahalbidetuz, LiCoO2-k bateria kargagarrien sistema berriak gaitu zituen.Godshall et al.litio-trantsizioko metal-oxido ternarioen antzeko balioa identifikatu zuen, hala nola LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 eta LiFe5O4 (eta geroago litio-kobre-oxidoa eta litio-nikel-oxidoa katodo materialak 1985).
1980 - Rachid Yazami-k litioaren grafitoaren elkarketa elektrokimiko itzulgarria frogatu zuen, eta litio-grafitoko elektrodoa (anodoa) asmatu zuen.Garai hartan eskuragarri zeuden elektrolito organikoak deskonposatuko lirateke grafitozko elektrodo negatibo batekin kargatzean.Yazamik elektrolito solido bat erabili zuen litioa mekanismo elektrokimiko baten bidez grafitoan modu itzulgarri batean interkalatu zitekeela frogatzeko.2011tik aurrera, Yazami-ren grafito-elektrodoa izan zen litio-ioizko bateria komertzialetan gehien erabiltzen den elektrodoa.
Elektrodo negatiboak Tokio Yamabek eta geroago Shjzukuni Yatak 1980ko hamarkadaren hasieran aurkitutako PAS (material erdieroale poliazenikoa) du jatorria.Teknologia honen hazia polimero eroaleen aurkikuntza izan zen Hideki Shirakawa irakasleak eta bere taldeak, eta Alan MacDiarmid eta Alan J. Heeger et al-ek garatutako poliazetileno-litio-ioi bateriatik abiatu zela ere ikus zitekeen.
1982 - Godshall et al.AEBetako 4.340.652 patentea jaso zuten LiCoO2 litiozko baterietan katodo gisa erabiltzeagatik, Godshall-en Stanford Unibertsitateko doktoretzan oinarrituta.tesia eta 1979ko argitalpenak.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David eta John Goodenough-ek manganeso-espinela bat garatu zuten litio-ioizko baterien komertzialki garrantzitsua den katodo-material gisa.
1985 - Akira Yoshinok zelula prototipo bat muntatu zuen karbonozko materiala erabiliz, zeinetan litio ioiak elektrodo gisa txerta zitezkeen, eta litio kobalto oxidoa (LiCoO2) bestea bezala.Horrek segurtasuna nabarmen hobetu zuen.LiCoO2-k industria-eskalako ekoizpena ahalbidetu zuen eta litio-ioizko bateria komertziala gaitu zuen.
1989 - Arumugam Manthiram eta John B. Goodenough-ek katodoen polianion klasea aurkitu zuten.Polianioiak dituzten elektrodo positiboek, adibidez sulfatoak, oxidoek baino tentsio handiagoak sortzen dituztela erakutsi zuten, polianioiaren efektu induktiboa dela eta.Polianion klase honek litio burdin fosfatoa bezalako materialak ditu.

<Jarraitzeko...>