بطارية ليثيوم أيون أو بطارية ليثيوم أيون (يشار إليها باختصار LIB) هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن.تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون بشكل شائع للإلكترونيات المحمولة والمركبات الكهربائية وتزداد شعبيتها في التطبيقات العسكرية والفضائية.تم تطوير نموذج أولي لبطارية Li-ion من قبل Akira Yoshino في عام 1985 ، بناءً على بحث سابق أجراه John Goodenough و M. فريق Sony و Asahi Kasei بقيادة يوشيو نيشي في عام 1991. في عام 2019 ، مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء إلى Yoshino و Goodenough و Whittingham "لتطوير بطاريات أيونات الليثيوم".

في البطاريات ، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب السالب عبر إلكتروليت إلى القطب الموجب أثناء التفريغ ، والعودة عند الشحن.تستخدم بطاريات Li-ion مركب الليثيوم المقحم كمواد عند القطب الموجب وعادة ما يكون الجرافيت عند القطب السالب.تتميز البطاريات بكثافة طاقة عالية ، وليس لها تأثير على الذاكرة (بخلاف خلايا LFP) وتفريغ ذاتي منخفض.ومع ذلك ، يمكن أن تشكل خطراً على السلامة لأنها تحتوي على إلكتروليتات قابلة للاشتعال ، وفي حالة تلفها أو شحنها بشكل غير صحيح يمكن أن تؤدي إلى انفجارات وحرائق.اضطرت شركة Samsung إلى استدعاء هواتف Galaxy Note 7 بعد حرائق أيونات الليثيوم ، وكانت هناك عدة حوادث تتعلق ببطاريات على طائرات بوينج 787.

تختلف خصائص الكيمياء والأداء والتكلفة والسلامة باختلاف أنواع LIB.تستخدم الإلكترونيات المحمولة في الغالب بطاريات ليثيوم بوليمر (مع هلام بوليمر مثل إلكتروليت) مع أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2) كمواد كاثود ، والتي توفر كثافة طاقة عالية ، ولكنها تنطوي على مخاطر تتعلق بالسلامة ، خاصة عند تلفها.فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) ، وأكسيد منغنيز الليثيوم (LiMn2O4 ، Li2MnO3 ، أو LMO) ، وأكسيد الكوبالت الليثيوم والنيكل والمنغنيز (LiNiMnCoO2 أو NMC) يوفران كثافة طاقة أقل ولكن عمرًا أطول واحتمالية أقل لحدوث حريق أو انفجار.تستخدم هذه البطاريات على نطاق واسع للأدوات الكهربائية والمعدات الطبية والأدوار الأخرى.تستخدم NMC ومشتقاتها على نطاق واسع في السيارات الكهربائية.

تشمل مجالات البحث الخاصة ببطاريات الليثيوم أيون إطالة العمر ، وزيادة كثافة الطاقة ، وتحسين السلامة ، وخفض التكلفة ، وزيادة سرعة الشحن ، من بين أمور أخرى.يجري البحث في مجال الإلكتروليتات غير القابلة للاشتعال كمسار لزيادة الأمان على أساس القابلية للاشتعال والتطاير للمذيبات العضوية المستخدمة في الإلكتروليت النموذجي.وتشمل الاستراتيجيات بطاريات الليثيوم أيون المائية ، والكهارل الصلبة الخزفية ، والإلكتروليتات البوليمرية ، والسوائل الأيونية ، والأنظمة المفلورة بشدة.

البطارية مقابل الخلية

الخلية هي وحدة كهروكيميائية أساسية تحتوي على الأقطاب الكهربائية والفاصل والإلكتروليت.

البطارية أو حزمة البطارية عبارة عن مجموعة من الخلايا أو مجموعات الخلايا ، مع مبيت وتوصيلات كهربائية وربما إلكترونيات للتحكم والحماية.

أقطاب الأنود والكاثود
بالنسبة للخلايا القابلة لإعادة الشحن ، يشير مصطلح الأنود (أو القطب السالب) إلى القطب حيث تحدث الأكسدة أثناء دورة التفريغ ؛القطب الآخر هو الكاثود (أو القطب الموجب).خلال دورة الشحن ، يصبح القطب الموجب هو القطب الموجب ويصبح القطب السالب هو الكاثود.بالنسبة لمعظم خلايا الليثيوم أيون ، يكون قطب أكسيد الليثيوم هو القطب الموجب ؛بالنسبة لخلايا تيتانات الليثيوم أيون (LTO) ، فإن قطب أكسيد الليثيوم هو القطب السالب.

تاريخ

خلفية

بطارية ليثيوم أيون فارتا ، متحف أوتوفيجن ، ألتوسهايم ، ألمانيا
تم اقتراح بطاريات الليثيوم من قبل الكيميائي البريطاني والحائز على جائزة نوبل للكيمياء لعام 2019 م.استخدم Whittingham كبريتيد التيتانيوم (IV) ومعدن الليثيوم كأقطاب كهربائية.ومع ذلك ، فإن بطارية الليثيوم القابلة لإعادة الشحن هذه لا يمكن أن تصبح عملية.كان ثاني كبريتيد التيتانيوم خيارًا سيئًا ، حيث يجب تصنيعه في ظل ظروف محكمة الإغلاق تمامًا ، كما أنه مكلف للغاية (حوالي 1000 دولار لكل كيلوغرام من مادة خام ثاني كبريتيد التيتانيوم في السبعينيات).عند تعرضه للهواء ، يتفاعل ثاني كبريتيد التيتانيوم لتكوين مركبات كبريتيد الهيدروجين ، والتي لها رائحة كريهة وهي سامة لمعظم الحيوانات.لهذا السبب ، ولأسباب أخرى ، أوقفت شركة Exxon تطوير بطارية Whittingham's lithium-titanium disulfide.تمثل البطاريات ذات الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الليثيوم المعدني مشكلات تتعلق بالسلامة ، حيث يتفاعل معدن الليثيوم مع الماء ، ويطلق غاز الهيدروجين القابل للاشتعال.ونتيجة لذلك ، انتقل البحث لتطوير البطاريات التي توجد فيها مركبات الليثيوم فقط ، بدلاً من الليثيوم المعدني ، والتي تكون قادرة على قبول وإطلاق أيونات الليثيوم.

تم اكتشاف الإقحام العكسي في الجرافيت والاقحام إلى أكاسيد كاثودية خلال 1974–76 بواسطة JO Besenhard في TU Munich.اقترح بيسينهارد تطبيقه في خلايا الليثيوم.كان تحلل الإلكتروليت وإقحام المذيبات في الجرافيت من العيوب المبكرة الشديدة لعمر البطارية.

التطور

1973 - اقترح آدم هيلر بطارية كلوريد الليثيوم ثيونيل ، والتي لا تزال تستخدم في الأجهزة الطبية المزروعة وأنظمة الدفاع حيث يلزم وجود أكثر من 20 عامًا من العمر الافتراضي ، وكثافة طاقة عالية ، و / أو تحمل درجات حرارة التشغيل القصوى.
1977 - أظهر سمر باسو الإقحام الكهروكيميائي لليثيوم في الجرافيت في جامعة بنسلفانيا.أدى ذلك إلى تطوير قطب كهربائي عملي من الليثيوم مقسم من الجرافيت في Bell Labs (LiC6) لتوفير بديل لبطارية الليثيوم المعدنية.
1979 - بالعمل في مجموعات منفصلة ، أظهر Ned A. Godshall وآخرون ، وبعد ذلك بوقت قصير ، John B. Goodenough (جامعة أكسفورد) وكويتشي ميزوشيما (جامعة طوكيو) ، خلية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن بجهد كهربائي في نطاق 4 فولت باستخدام الليثيوم ثاني أكسيد الكوبالت (LiCoO2) كقطب موجب ومعدن الليثيوم كقطب سالب.قدم هذا الابتكار مادة القطب الموجب التي مكنت بطاريات الليثيوم التجارية المبكرة.LiCoO2 عبارة عن مادة قطبية موجبة مستقرة تعمل كمانح لأيونات الليثيوم ، مما يعني أنه يمكن استخدامها مع مادة القطب السالب بخلاف معدن الليثيوم.من خلال تمكين استخدام مواد القطب السالب المستقرة وسهلة الاستخدام ، مكّن LiCoO2 أنظمة بطاريات قابلة لإعادة الشحن جديدة.Godshall وآخرون.حددت كذلك القيمة المماثلة لأكاسيد المعادن الانتقالية الليثيوم المركبة ثلاثية مثل الإسبنيل LiMn2O4 و Li2MnO3 و LiMnO2 و LiFeO2 و LiFe5O8 و LiFe5O4 (ولاحقًا مواد كاثود أكسيد الليثيوم وأكسيد الليثيوم والنيكل في عام 1985)
1980 - أظهر رشيد اليزمي عملية الإقحام الكهروكيميائي العكسي لليثيوم في الجرافيت ، واخترع قطب غرافيت الليثيوم (الأنود).سوف تتحلل الإلكتروليتات العضوية المتوفرة في ذلك الوقت أثناء الشحن باستخدام قطب سالب من الجرافيت.استخدم Yazami إلكتروليتًا صلبًا لإثبات أنه يمكن تقطيع الليثيوم بشكل عكسي في الجرافيت من خلال آلية كهروكيميائية.اعتبارًا من عام 2011 ، كان قطب الجرافيت الخاص بـ Yazami هو القطب الأكثر استخدامًا في بطاريات الليثيوم أيون التجارية.
يعود أصل القطب السالب إلى PAS (مادة شبه موصلة متعددة الأسين) اكتشفها Tokio Yamabe ولاحقًا بواسطة Shjzukuni Yata في أوائل الثمانينيات.كانت بذرة هذه التكنولوجيا اكتشاف البوليمرات الموصلة بواسطة البروفيسور هيديكي شيراكاوا ومجموعته ، ويمكن أيضًا اعتبارها قد بدأت من بطارية أيون الليثيوم بولي أسيتيلين التي طورها آلان ماكديرميد وألان ج. هيجر وآخرون.
1982 - Godshall et al.حصلوا على براءة الاختراع الأمريكية 4،340،652 لاستخدام LiCoO2 ككاثود في بطاريات الليثيوم ، بناءً على درجة الدكتوراه من جامعة ستانفورد في Godshall.أطروحة ومنشورات 1979.
1983 - مايكل إم ثاكيراي ، وبيتر بروس ، وويليام ديفيد ، وجون جودناف طوروا سبينيل منجنيز كمواد كاثود مشحونة تجاريًا لبطاريات الليثيوم أيون.
1985 - قام أكيرا يوشينو بتجميع نموذج أولي لخلية باستخدام مادة كربونية يمكن إدخال أيونات الليثيوم فيها كقطب واحد ، وأكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2) كقطب آخر.أدى هذا إلى تحسين السلامة بشكل كبير.مكّن LiCoO2 الإنتاج على نطاق صناعي ومكّن بطارية الليثيوم أيون التجارية.
1989 - اكتشف Arumugam Manthiram و John B. Goodenough فئة الكاثودات polyanion.أظهروا أن الأقطاب الموجبة المحتوية على polyanions ، على سبيل المثال ، الكبريتات ، تنتج الفولتية أعلى من الأكاسيد بسبب التأثير الاستقرائي لل polyanion.تحتوي فئة البوليانيون هذه على مواد مثل فوسفات حديد الليثيوم.

<يتبع ...>