Een lithium-ionbatterij of Li-ionbatterij (afgekort als LIB) is een type oplaadbare batterij.Lithium-ionbatterijen worden vaak gebruikt voor draagbare elektronica en elektrische voertuigen en worden steeds populairder voor militaire en ruimtevaarttoepassingen.Een prototype Li-ionbatterij werd in 1985 ontwikkeld door Akira Yoshino, gebaseerd op eerder onderzoek door John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami en Koichi Mizushima in de jaren 70 en 80, en vervolgens werd een commerciële Li-ionbatterij ontwikkeld door een Het team van Sony en Asahi Kasei onder leiding van Yoshio Nishi in 1991. In 2019 werd de Nobelprijs voor scheikunde toegekend aan Yoshino, Goodenough en Whittingham "voor de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen".

In de batterijen bewegen lithiumionen van de negatieve elektrode door een elektrolyt naar de positieve elektrode tijdens het ontladen en terug tijdens het opladen.Li-ionbatterijen gebruiken een geïntercaleerde lithiumverbinding als materiaal aan de positieve elektrode en typisch grafiet aan de negatieve elektrode.De batterijen hebben een hoge energiedichtheid, geen geheugeneffect (anders dan LFP-cellen) en een lage zelfontlading.Ze kunnen echter een veiligheidsrisico vormen omdat ze ontvlambare elektrolyten bevatten, en als ze beschadigd of onjuist geladen zijn, kunnen ze leiden tot explosies en brand.Samsung moest Galaxy Note 7-handsets terugroepen na lithium-ionbranden en er zijn verschillende incidenten geweest met batterijen op Boeing 787's.

Chemie-, prestatie-, kosten- en veiligheidskenmerken variëren per LIB-type.Handheld-elektronica gebruikt meestal lithium-polymeerbatterijen (met een polymeergel als elektrolyt) met lithiumkobaltoxide (LiCoO2) als kathodemateriaal, dat een hoge energiedichtheid biedt, maar veiligheidsrisico's met zich meebrengt, vooral bij beschadiging.Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4), lithium-mangaanoxide (LiMn2O4, Li2MnO3 of LMO) en lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide (LiNiMnCoO2 of NMC) bieden een lagere energiedichtheid, maar een langere levensduur en minder kans op brand of explosie.Dergelijke batterijen worden veel gebruikt voor elektrisch gereedschap, medische apparatuur en andere rollen.NMC en zijn derivaten worden veel gebruikt in elektrische voertuigen.

Onderzoeksgebieden voor lithium-ionbatterijen zijn onder meer het verlengen van de levensduur, het verhogen van de energiedichtheid, het verbeteren van de veiligheid, het verlagen van de kosten en het verhogen van de laadsnelheid.Er is onderzoek gaande op het gebied van niet-ontvlambare elektrolyten als een weg naar meer veiligheid op basis van de ontvlambaarheid en vluchtigheid van de organische oplosmiddelen die in de typische elektrolyt worden gebruikt.Strategieën omvatten waterige lithium-ionbatterijen, keramische vaste elektrolyten, polymere elektrolyten, ionische vloeistoffen en sterk gefluoreerde systemen.

Batterij versus cel

Een cel is een elektrochemische basiseenheid die de elektroden, separator en elektrolyt bevat.

Een batterij of batterijpakket is een verzameling cellen of celassemblages, met behuizing, elektrische aansluitingen en mogelijk elektronica voor besturing en bescherming.

Anode- en kathode-elektroden
Voor oplaadbare cellen duidt de term anode (of negatieve elektrode) de elektrode aan waar oxidatie plaatsvindt tijdens de ontladingscyclus;de andere elektrode is de kathode (of positieve elektrode).Tijdens de laadcyclus wordt de positieve elektrode de anode en de negatieve elektrode de kathode.Voor de meeste lithium-ioncellen is de lithiumoxide-elektrode de positieve elektrode;voor titanaat-lithium-ioncellen (LTO) is de lithiumoxide-elektrode de negatieve elektrode.

Geschiedenis

Achtergrond

Varta lithium-ionbatterij, Museum Autovision, Altlussheim, Duitsland
Lithiumbatterijen werden voorgesteld door de Britse chemicus en mede-ontvanger van de Nobelprijs voor scheikunde 2019, M. Stanley Whittingham, nu aan de Binghamton University, terwijl hij in de jaren zeventig voor Exxon werkte.Whittingham gebruikte titanium (IV) sulfide en lithiummetaal als elektroden.Deze oplaadbare lithiumbatterij zou echter nooit praktisch kunnen worden gemaakt.Titaandisulfide was een slechte keuze, omdat het onder volledig afgesloten omstandigheden moet worden gesynthetiseerd, en ook vrij duur is (~ $ 1.000 per kilogram voor titaniumdisulfidegrondstof in de jaren zeventig).Bij blootstelling aan lucht reageert titaniumdisulfide tot waterstofsulfideverbindingen, die een onaangename geur hebben en giftig zijn voor de meeste dieren.Om deze en andere redenen stopte Exxon met de ontwikkeling van Whittinghams lithium-titaniumdisulfidebatterij.[28]Batterijen met metallische lithiumelektroden leverden veiligheidsproblemen op, aangezien lithiummetaal reageert met water, waarbij ontvlambaar waterstofgas vrijkomt.Bijgevolg is het onderzoek verplaatst naar de ontwikkeling van batterijen waarin, in plaats van metallisch lithium, alleen lithiumverbindingen aanwezig zijn, die lithiumionen kunnen accepteren en afgeven.

Omkeerbare intercalatie in grafiet en intercalatie in kathodische oxiden werd in 1974-1976 ontdekt door JO Besenhard aan de TU München.Besenhard stelde de toepassing ervan in lithiumcellen voor.Ontleding van elektrolyten en co-intercalatie van oplosmiddelen in grafiet waren ernstige vroege nadelen voor de levensduur van de batterij.

Ontwikkeling

1973 - Adam Heller stelde de lithiumthionylchloridebatterij voor, die nog steeds wordt gebruikt in geïmplanteerde medische apparaten en in verdedigingssystemen waar een houdbaarheid van meer dan 20 jaar, een hoge energiedichtheid en/of tolerantie voor extreme bedrijfstemperaturen vereist zijn.
1977 - Samar Basu demonstreerde elektrochemische intercalatie van lithium in grafiet aan de Universiteit van Pennsylvania.Dit leidde tot de ontwikkeling van een werkbare lithium-geïntercaleerde grafietelektrode bij Bell Labs (LiC6) als alternatief voor de lithium-metaalelektrodebatterij.
1979 - Ned A. Godshall et al., en kort daarna John B. Goodenough (Oxford University) en Koichi Mizushima (Tokyo University), werken in afzonderlijke groepen, demonstreren een oplaadbare lithiumcel met een spanning in het 4 V-bereik met behulp van lithium kobaltdioxide (LiCoO2) als de positieve elektrode en lithiummetaal als de negatieve elektrode.Deze innovatie leverde het positieve elektrodemateriaal dat vroege commerciële lithiumbatterijen mogelijk maakte.LiCoO2 is een stabiel positief elektrodemateriaal dat werkt als een donor van lithiumionen, wat betekent dat het kan worden gebruikt met een ander negatief elektrodemateriaal dan lithiummetaal.Door het gebruik van stabiele en gemakkelijk te hanteren negatieve elektrodematerialen mogelijk te maken, maakte LiCoO2 nieuwe oplaadbare batterijsystemen mogelijk.Godshall et al.identificeerde verder de vergelijkbare waarde van ternaire verbinding lithium-overgangsmetaaloxiden zoals spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 en LiFe5O4 (en later lithium-koper-oxide en lithium-nikkel-oxide kathodematerialen in 1985)
1980 - Rachid Yazami demonstreerde de omkeerbare elektrochemische intercalatie van lithium in grafiet en vond de lithiumgrafietelektrode (anode) uit.De toen beschikbare organische elektrolyten zouden tijdens het opladen met een grafiet-negatieve elektrode ontleden.Yazami gebruikte een vast elektrolyt om aan te tonen dat lithium via een elektrochemisch mechanisme omkeerbaar kan worden geïntercaleerd in grafiet.Vanaf 2011 was de grafietelektrode van Yazami de meest gebruikte elektrode in commerciële lithium-ionbatterijen.
De negatieve elektrode vindt zijn oorsprong in PAS (polyaceen halfgeleidend materiaal) ontdekt door Tokio Yamabe en later door Shjzukuni Yata in de vroege jaren tachtig.Het begin van deze technologie was de ontdekking van geleidende polymeren door professor Hideki Shirakawa en zijn groep, en het kan ook worden gezien als zijnde begonnen met de polyacetyleen lithium-ionbatterij ontwikkeld door Alan MacDiarmid en Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.kregen US Patent 4.340.652 toegekend voor het gebruik van LiCoO2 als kathodes in lithiumbatterijen, gebaseerd op Godshall's Stanford University Ph.D.proefschrift en 1979 publicaties.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David en John Goodenough ontwikkelden een mangaan-spinel als een commercieel relevant geladen kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen.
1985 - Akira Yoshino assembleerde een prototypecel met koolstofhoudend materiaal waarin lithiumionen als één elektrode en lithiumkobaltoxide (LiCoO2) als de andere konden worden ingebracht.Dit verbeterde de veiligheid aanzienlijk.LiCoO2 maakte productie op industriële schaal mogelijk en maakte de commerciële lithium-ionbatterij mogelijk.
1989 - Arumugam Manthiram en John B. Goodenough ontdekten de polyanionklasse van kathodes.Ze toonden aan dat positieve elektroden die polyanionen bevatten, bijvoorbeeld sulfaten, hogere spanningen produceren dan oxiden vanwege het inductieve effect van het polyanion.Deze polyanionklasse bevat materialen zoals lithiumijzerfosfaat.

< wordt vervolgd…>