Liitiumioonaku või liitiumioonaku (lühendatult LIB) on laetava aku tüüp.Liitiumioonakusid kasutatakse tavaliselt kaasaskantava elektroonika ja elektrisõidukite jaoks ning nende populaarsus kasvab sõjalistes ja kosmoserakendustes.Liitium-ioonaku prototüübi töötas välja 1985. aastal Akira Yoshino, mis põhines John Goodenoughi, M. Stanley Whittinghami, Rachid Yazami ja Koichi Mizushima varasematel uuringutel 1970.–1980. aastatel ning seejärel töötas välja kaubanduslik liitiumioonaku. Sony ja Asahi Kasei meeskond, mida juhtis 1991. aastal Yoshio Nishi. 2019. aastal anti Nobeli keemiaauhind Yoshinole, Goodenoughile ja Whittinghamile liitiumioonakude arendamise eest.

Akudes liiguvad liitiumioonid tühjenemise ajal negatiivselt elektroodilt läbi elektrolüüdi positiivsele elektroodile ja laadimisel tagasi.Liitium-ioonakud kasutavad positiivse elektroodi materjalina interkaleeritud liitiumühendit ja tavaliselt negatiivse elektroodi grafiiti.Akudel on kõrge energiatihedus, mäluefekt puudub (peale LFP elementide) ja madal isetühjenemine.Need võivad siiski ohustada ohutust, kuna sisaldavad kergestisüttivaid elektrolüüte. Kahjustuse või ebaõige laadimise korral võivad need põhjustada plahvatusi ja tulekahjusid.Samsung oli pärast liitiumioonpõlenguid sunnitud Galaxy Note 7 telefone tagasi kutsuma ja Boeing 787 akudega on juhtunud mitmeid intsidente.

Keemia, jõudlus, maksumus ja ohutusomadused on LIB tüüpide lõikes erinevad.Pihuelektroonikas kasutatakse enamasti liitiumpolümeerakusid (elektrolüüdina polümeergeeliga) ja katoodmaterjalina liitiumkoobaltoksiidi (LiCoO2), mis pakub kõrget energiatihedust, kuid kujutab endast ohtu, eriti kui see on kahjustatud.Liitiumraudfosfaat (LiFePO4), liitiummangaanoksiid (LiMn2O4, Li2MnO3 või LMO) ja liitium-nikkel-mangaankoobaltoksiid (LiNiMnCoO2 või NMC) pakuvad väiksemat energiatihedust, kuid pikemat eluiga ja väiksemat tulekahju või plahvatuse tõenäosust.Selliseid patareisid kasutatakse laialdaselt elektritööriistade, meditsiiniseadmete ja muude ülesannete jaoks.NMC-d ja selle derivaate kasutatakse laialdaselt elektrisõidukites.

Liitiumioonakude uurimisvaldkonnad hõlmavad muu hulgas eluea pikendamist, energiatiheduse suurendamist, ohutuse parandamist, kulude vähendamist ja laadimiskiiruse suurendamist.Mittesüttivate elektrolüütide valdkonnas on käimas uuringud, mis suurendavad ohutust, mis põhineb tüüpilises elektrolüüdis kasutatavate orgaaniliste lahustite süttivusel ja lenduvusel.Strateegiad hõlmavad liitiumioonakusid, keraamilisi tahkeid elektrolüüte, polümeerelektrolüüte, ioonseid vedelikke ja tugevalt fluoritud süsteeme.

Aku versus element

Element on põhiline elektrokeemiline üksus, mis sisaldab elektroode, separaatorit ja elektrolüüti.

Aku või akupakett on elementide või elemendikoostude kogum, millel on korpus, elektriühendused ja võimalusel ka elektroonika juhtimiseks ja kaitseks.

Anood- ja katoodelektroodid
Taaslaetavate elementide puhul tähistab termin anood (või negatiivne elektrood) elektroodi, kus tühjendustsükli ajal toimub oksüdatsioon;teine ​​elektrood on katood (või positiivne elektrood).Laadimistsükli ajal muutub positiivne elektrood anoodiks ja negatiivne elektrood katoodiks.Enamiku liitiumioonelementide puhul on liitiumoksiidelektrood positiivne elektrood;titanaat-liitiumioonelementide (LTO) puhul on liitiumoksiidelektrood negatiivne elektrood.

Ajalugu

Taust

Varta liitiumioonaku, Museum Autovision, Altlussheim, Saksamaa
Liitiumpatareide pakkus välja Briti keemik ja 2019. aasta Nobeli keemiaauhinna kaassaaja M. Stanley Whittingham, kes töötab praegu Binghamtoni ülikoolis ja töötas 1970. aastatel Exxonis.Whittingham kasutas elektroodidena titaan(IV)sulfiidi ja liitiummetalli.Seda laetavat liitiumakut ei saanud aga kunagi praktiliseks muuta.Titaandisulfiid oli kehv valik, kuna seda tuleb sünteesida täiesti suletud tingimustes, olles ka üsna kallis (1970ndatel maksis titaandisulfiidi tooraine kilogrammi kohta ~1000 dollarit).Õhuga kokkupuutel titaandisulfiid reageerib, moodustades vesiniksulfiidühendeid, millel on ebameeldiv lõhn ja mis on mürgised enamikule loomadele.Sel ja muudel põhjustel lõpetas Exxon Whittinghami liitium-titaandisulfiidpatarei arendamise.[28]Metallist liitiumelektroodidega akud tekitasid ohutusprobleeme, kuna liitiummetall reageerib veega, vabastades tuleohtlikku vesinikgaasi.Sellest tulenevalt liikusid teadusuuringud selliste patareide väljatöötamiseks, milles metallilise liitiumi asemel on ainult liitiumiühendid, mis on võimelised liitiumioone vastu võtma ja vabastama.

Pöörduva interkalatsiooni grafiidis ja interkalatsiooni katoodoksiidideks avastas aastatel 1974–1976 Müncheni TLÜ JO Besenhard.Besenhard pakkus välja selle kasutamise liitiumelementides.Elektrolüütide lagunemine ja lahustite interkalatsioon grafiidiks olid aku eluea tõsised puudused.

Areng

1973 – Adam Heller pakkus välja liitiumtionüülkloriidaku, mida kasutatakse siiani implanteeritud meditsiiniseadmetes ja kaitsesüsteemides, kus on nõutav üle 20-aastane säilivusaeg, kõrge energiatihedus ja/või taluvus äärmuslike töötemperatuuride suhtes.
1977 – Samar Basu demonstreeris Pennsylvania ülikoolis liitiumi elektrokeemilist interkalatsiooni grafiidis.See viis Bell Labsis (LiC6) töötava liitiumiga interkaleeritud grafiitelektroodi väljatöötamiseni, et pakkuda alternatiivi liitiummetallelektroodi akule.
1979 – Ned A. Godshall jt ning varsti pärast seda John B. Goodenough (Oxfordi ülikool) ja Koichi Mizushima (Tokyo ülikool) demonstreerisid eraldi rühmades töötades liitiumit kasutades laetavat liitiumelementi, mille pinge on vahemikus 4 V koobaltdioksiid (LiCoO2) kui positiivne elektrood ja liitiummetall kui negatiivne elektrood.See uuendus andis positiivse elektroodi materjali, mis võimaldas varakult müügil olevaid liitiumakusid.LiCoO2 on stabiilne positiivse elektroodi materjal, mis toimib liitiumioonide doonorina, mis tähendab, et seda saab kasutada ka muu negatiivse elektroodi materjaliga kui liitiummetall.Võimaldades kasutada stabiilseid ja hõlpsasti käsitsetavaid negatiivsete elektroodide materjale, võimaldas LiCoO2 uudseid laetavaid akusüsteeme.Godshall et al.Lisaks tuvastas kolmekomponentsete liitium-siirdemetallioksiidide, nagu spinell LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 ja LiFe5O4 (ja hiljem liitium-vaskoksiidi ja liitium-nikkeloksiidi katoodmaterjalide 1985. aastal) sarnase väärtuse.
1980 – Rachid Yazami demonstreeris liitiumi pöörduvat elektrokeemilist interkalatsiooni grafiidis ja leiutas liitiumgrafiitelektroodi (anoodi).Sel ajal saadaolevad orgaanilised elektrolüüdid laguneksid grafiitnegatiivse elektroodiga laadimise ajal.Yazami kasutas tahket elektrolüüti, et näidata, et liitiumi saab elektrokeemilise mehhanismi kaudu pööratavalt grafiiti interkaleerida.Alates 2011. aastast oli Yazami grafiitelektrood kaubanduslikes liitiumioonakudes kõige sagedamini kasutatav elektrood.
Negatiivne elektrood pärineb PAS-ist (polüatseeniline pooljuhtmaterjal), mille avastas Tokio Yamabe ja hiljem Shjzukuni Yata 1980ndate alguses.Selle tehnoloogia seemneks oli juhtivate polümeeride avastamine professor Hideki Shirakawa ja tema grupi poolt ning samuti võib näha, et see sai alguse polüatsetüleen-liitiumioonakust, mille on välja töötanud Alan MacDiarmid ja Alan J. Heeger jt.
1982 – Godshall jt.pälvisid USA patent 4 340 652 LiCoO2 kasutamise eest liitiumpatareides katoodidena, tuginedes Godshalli Stanfordi ülikooli doktorikraadile.väitekiri ja 1979. aasta publikatsioonid.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David ja John Goodenough töötasid välja mangaanspinelli kui liitiumioonakude kaubanduslikult sobiva laetud katoodmaterjali.
1985 – Akira Yoshino pani kokku prototüübi raku, kasutades süsinikku sisaldavat materjali, millesse sai ühe elektroodina sisestada liitiumioonid ja teisena liitiumkoobaltoksiidi (LiCoO2).See parandas oluliselt ohutust.LiCoO2 võimaldas tööstuslikus mastaabis tootmist ja võimaldas kaubanduslikku liitiumioonakut.
1989 – Arumugam Manthiram ja John B. Goodenough avastasid katoodide polüanioonklassi.Nad näitasid, et polüanione, nt sulfaate, sisaldavad positiivsed elektroodid tekitavad polüaniooni induktiivse toime tõttu kõrgemat pinget kui oksiidid.See polüaniooniklass sisaldab selliseid materjale nagu liitiumraudfosfaat.

< jätkub...>