Unha batería de iones de litio ou batería de iones de litio (abreviado como LIB) é un tipo de batería recargable.As baterías de iones de litio utilízanse habitualmente para produtos electrónicos portátiles e vehículos eléctricos e están crecendo en popularidade para aplicacións militares e aeroespaciais.Akira Yoshino desenvolveu un prototipo de batería de iones de litio en 1985, baseándose en investigacións anteriores de John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami e Koichi Mizushima durante os anos 1970 e 1980, e despois unha batería comercial de iones de litio foi desenvolvida por un O equipo de Sony e Asahi Kasei liderado por Yoshio Nishi en 1991. En 2019, o Premio Nobel de Química foi entregado a Yoshino, Goodenough e Whittingham "polo desenvolvemento de baterías de iones de litio".

Nas baterías, os ións de litio móvense desde o electrodo negativo a través dun electrólito ata o electrodo positivo durante a descarga e de volta ao cargar.As baterías de ión-litio usan un composto de litio intercalado como material no electrodo positivo e normalmente grafito no electrodo negativo.As baterías teñen unha alta densidade de enerxía, sen efecto memoria (agás as células LFP) e baixa autodescarga.Non obstante, poden ser un perigo para a seguridade xa que conteñen electrólitos inflamables e, se se danan ou se cargan incorrectamente, poden provocar explosións e incendios.Samsung viuse obrigado a retirar os teléfonos Galaxy Note 7 tras incendios de ións de litio e houbo varios incidentes relacionados coas baterías dos Boeing 787.

A química, o rendemento, o custo e as características de seguridade varían segundo os tipos de LIB.A electrónica portátil utiliza principalmente baterías de polímero de litio (cun ​​xel de polímero como electrólito) con óxido de cobalto de litio (LiCoO2) como material catódico, que ofrece unha alta densidade de enerxía, pero presenta riscos de seguridade, especialmente cando están danados.O fosfato de ferro de litio (LiFePO4), o óxido de litio manganeso (LiMn2O4, Li2MnO3 ou LMO) e o óxido de litio níquel manganeso cobalto (LiNiMnCoO2 ou NMC) ofrecen unha densidade de enerxía máis baixa pero unha vida máis longa e menos probabilidade de incendio ou explosión.Tales baterías úsanse amplamente para ferramentas eléctricas, equipos médicos e outras funcións.O NMC e os seus derivados son amplamente utilizados nos vehículos eléctricos.

As áreas de investigación das baterías de ión-litio inclúen prolongar a vida útil, aumentar a densidade de enerxía, mellorar a seguridade, reducir o custo e aumentar a velocidade de carga, entre outras.A investigación está en curso na área de electrólitos non inflamables como unha vía para aumentar a seguridade baseada na inflamabilidade e volatilidade dos disolventes orgánicos utilizados no electrólito típico.As estratexias inclúen baterías de iones de litio acuosos, electrólitos sólidos cerámicos, electrólitos de polímeros, líquidos iónicos e sistemas fortemente fluorados.

Batería contra célula

Unha pila é unha unidade electroquímica básica que contén os electrodos, o separador e o electrólito.

Unha batería ou paquete de baterías é unha colección de celas ou conxuntos de células, con carcasa, conexións eléctricas e posiblemente electrónica para control e protección.

Electrodos de ánodo e cátodo
Para as células recargables, o termo ánodo (ou electrodo negativo) designa o electrodo onde se produce a oxidación durante o ciclo de descarga;o outro eléctrodo é o cátodo (ou electrodo positivo).Durante o ciclo de carga, o electrodo positivo convértese no ánodo e o negativo no cátodo.Para a maioría das células de ión-litio, o electrodo de óxido de litio é o electrodo positivo;para as células de ión-litio de titanato (LTO), o electrodo de óxido de litio é o electrodo negativo.

Historia

Fondo

Batería de iones de litio Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Alemaña
As baterías de litio foron propostas polo químico británico e co-receptor do Premio Nobel de Química 2019 M. Stanley Whittingham, agora na Universidade de Binghamton, mentres traballaba para Exxon nos anos 70.Whittingham utilizou sulfuro de titanio (IV) e metal de litio como electrodos.Non obstante, esta batería de litio recargable nunca puido ser práctica.O disulfuro de titanio foi unha mala elección, xa que ten que ser sintetizado en condicións completamente seladas, sendo tamén bastante caro (~ 1.000 dólares por quilo de materia prima de disulfuro de titanio na década de 1970).Cando se expón ao aire, o disulfuro de titanio reacciona formando compostos de sulfuro de hidróxeno, que teñen un cheiro desagradable e son tóxicos para a maioría dos animais.Por isto e outros motivos, Exxon interrompeu o desenvolvemento da batería de disulfuro de litio-titanio de Whittingham.[28]As baterías con electrodos de litio metálicos presentaban problemas de seguridade, xa que o metal de litio reacciona coa auga, liberando gas hidróxeno inflamable.En consecuencia, a investigación pasou a desenvolver baterías nas que, en lugar do litio metálico, só están presentes compostos de litio, sendo capaces de aceptar e liberar ións de litio.

A intercalación reversible en grafito e a intercalación en óxidos catódicos foi descuberta durante 1974–76 por JO Besenhard na TU de Múnic.Besenhard propuxo a súa aplicación en células de litio.A descomposición de electrólitos e a co-intercalación do disolvente no grafito foron graves inconvenientes iniciales para a duración da batería.

Desenvolvemento

1973 - Adam Heller propuxo a batería de cloruro de tionilo de litio, que aínda se usa en dispositivos médicos implantados e en sistemas de defensa onde se require unha vida útil superior a 20 anos, unha alta densidade de enerxía e/ou tolerancia a temperaturas de funcionamento extremas.
1977 - Samar Basu demostrou a intercalación electroquímica de litio en grafito na Universidade de Pensilvania.Isto levou ao desenvolvemento dun electrodo de grafito intercalado de litio viable en Bell Labs (LiC6) para proporcionar unha alternativa á batería de electrodos de litio metálico.
1979 - Traballando en grupos separados, Ned A. Godshall et al., e, pouco despois, John B. Goodenough (Universidade de Oxford) e Koichi Mizushima (Universidade de Tokio), demostraron unha pila de litio recargable cunha tensión no rango de 4 V usando litio. dióxido de cobalto (LiCoO2) como electrodo positivo e litio metálico como electrodo negativo.Esta innovación proporcionou o material de electrodo positivo que permitiu as primeiras baterías de litio comerciais.LiCoO2 é un material de electrodo positivo estable que actúa como doador de ións de litio, o que significa que se pode usar cun material de electrodo negativo que non sexa o metal de litio.Ao permitir o uso de materiais de electrodos negativos estables e fáciles de manexar, LiCoO2 permitiu novos sistemas de baterías recargables.Godshall et al.identificou ademais o valor similar de óxidos de metais de transición de litio compostos ternarios como a espinela LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 e LiFe5O4 (e máis tarde materiais de cátodo de óxido de litio-cobre e óxido de litio-níquel en 1985)
1980 - Rachid Yazami demostrou a intercalación electroquímica reversible do litio no grafito e inventou o electrodo de grafito de litio (ánodo).Os electrólitos orgánicos dispoñibles nese momento descompoñeríanse durante a carga cun electrodo negativo de grafito.Yazami utilizou un electrólito sólido para demostrar que o litio podía intercalarse de forma reversible no grafito mediante un mecanismo electroquímico.A partir de 2011, o eléctrodo de grafito de Yazami foi o electrodo máis utilizado nas baterías de ión-litio comerciais.
O electrodo negativo ten a súa orixe no PAS (material semicondutor poliacénico) descuberto por Tokio Yamabe e máis tarde por Shjzukuni Yata a principios dos anos 80.A semente desta tecnoloxía foi o descubrimento de polímeros condutores polo profesor Hideki Shirakawa e o seu grupo, e tamén se puido ver que partiu da batería de poliacetileno de ión-litio desenvolvida por Alan MacDiarmid e Alan J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.recibiron a patente estadounidense 4.340.652 polo uso de LiCoO2 como cátodos en baterías de litio, baseándose no doutoramento da Universidade de Stanford de Godshall.tese e publicacións de 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David e John Goodenough desenvolveron unha espinela de manganeso como material de cátodo cargado comercialmente relevante para baterías de ión-litio.
1985 - Akira Yoshino montou un prototipo de célula utilizando material carbonoso no que se podían inserir ións de litio como un electrodo e óxido de cobalto de litio (LiCoO2) como o outro.Isto mellorou drasticamente a seguridade.LiCoO2 permitiu a produción a escala industrial e habilitou a batería comercial de iones de litio.
1989 - Arumugam Manthiram e John B. Goodenough descubriron a clase de cátodos polianións.Demostraron que os electrodos positivos que conteñen polianións, por exemplo, sulfatos, producen voltaxes máis altas que os óxidos debido ao efecto indutivo do polianión.Esta clase de polianión contén materiais como o fosfato de ferro de litio.

<para continuar...>