Литий -ионный или литий-ионный аккумулятор — это тип перезаряжаемой батареи , в которой для накопления энергии используется обратимое восстановление ионов лития . Это преобладающий тип аккумуляторов, используемых в портативной бытовой электронике и электромобилях . Он также находит широкое применение для хранения энергии в масштабе сети, а также для военных и аэрокосмических приложений. По сравнению с другими технологиями перезаряжаемых аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы имеют высокую плотность энергии , низкий саморазряд и отсутствие эффекта памяти (хотя о небольшом эффекте памяти сообщалось вКлетки LFP были прослежены до плохо изготовленных клеток). [9]
Химический состав, производительность, стоимость и характеристики безопасности различаются в зависимости от типа литий-ионных аккумуляторов. В большинстве коммерческих литий-ионных аккумуляторов в качестве активных материалов используются интеркаляционные соединения. Анод или отрицательный электрод обычно изготавливается из графита , хотя все чаще используется кремний-углерод . Ячейки могут быть изготовлены с учетом приоритета либо энергии, либо плотности мощности. [10] В портативной электронике в основном используются литий-полимерные батареи (с полимерным гелем в качестве электролита), оксид лития-кобальта ( LiCoO
2) материал катода и графитовый анод, которые вместе обеспечивают высокую плотность энергии. [11] [12] Фосфат лития-железа ( LiFePO
4), оксид лития-марганца ( LiMn
2О
4шпинель или ли
2MnO
3слоистые материалы с высоким содержанием лития, LMR-NMC) и оксид лития, никеля, марганца, кобальта ( LiNiMnCoO
2или NMC) могут иметь более длительный срок службы и более высокую пропускную способность. NMC и его производные широко используются в электрификации транспорта , одной из основных технологий (в сочетании с возобновляемыми источниками энергии ) для снижения выбросов парниковых газов от транспортных средств . [13] [14]
М. Стэнли Уиттингем открыл концепцию интеркаляционных электродов в 1970-х годах и создал первую перезаряжаемую литий-ионную батарею, которая была основана на катоде из дисульфида титана и литий-алюминиевом аноде, хотя она страдала проблемами безопасности и никогда не была коммерциализирована. [15] Джон Гуденаф расширил эту работу в 1980 году, используя оксид лития-кобальта в качестве катода. [16] Первый прототип современной литий-ионной батареи, в которой используется углеродистый анод, а не металлический литий, был разработан Акирой Йошино в 1985 г.команда под руководством Йошио Ниши в 1991 году. [17]
Литий-ионные батареи могут представлять угрозу безопасности, если они не спроектированы и не изготовлены должным образом, поскольку элементы содержат легковоспламеняющиеся электролиты, а их повреждение или неправильная зарядка могут привести к взрывам и пожарам. Большой прогресс был достигнут в производстве безопасных литий-ионных батарей. [18] Литий-ионные аккумуляторы Все твердотельные аккумуляторы разрабатываются с целью устранения горючего электролита. Батареи, переработанные ненадлежащим образом, могут образовывать токсичные отходы, особенно из токсичных металлов, и подвержены риску возгорания. Более того, как литий , так и другие ключевые стратегические минералы, используемые в батареях, имеют серьезные проблемы при добыче, поскольку литий требует больших объемов воды в часто засушливых регионах, а другие минералы часто являются конфликтными минералами.например кобальт . Обе экологические проблемы побудили некоторых исследователей повысить эффективность использования полезных ископаемых и разработать альтернативы, такие как железо-воздушные батареи .
Области исследований литий-ионных аккумуляторов включают, среди прочего , увеличение срока службы, увеличение плотности энергии, повышение безопасности, снижение стоимости и увеличение скорости зарядки [19] [20] . Ведутся исследования в области негорючих электролитов как пути повышения безопасности на основе воспламеняемости и летучести органических растворителей, используемых в типичном электролите. Стратегии включают водные литий-ионные батареи , керамические твердые электролиты, полимерные электролиты, ионные жидкости и сильно фторированные системы. [21] [22] [23] [24]