O baterie litiu-ion sau Li-ion este un tip de baterie reincarcabila. Bateriile litiu-ion sunt utilizate in mod obisnuit pentru vehicule electronice si device-uri electrice portabile si sunt din ce in ce mai populare pentru aplicatii militare si aerospatiale.
Un prototip de baterie Li-ion a fost dezvoltat de Akira Yoshino in 1985, pe baza cercetarilor anterioare efectuate de John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami si Koichi Mizushima in anii 1970–80, iar apoi o bateria comerciala Li-ion a fost dezvoltata de o echipa Sony condusa de Yoshio Nishi in 1991.
In baterii, ionii de litiu se deplaseaza de la electrodul negativ printr-un electrolit la electrodul pozitiv in timpul descarcarii si se intorc la incarcare. Bateriile Li-ion folosesc un compus intercalat de litiu ca material la electrodul pozitiv si de obicei grafit la electrodul negativ. Bateriile au o densitate mare de energie, nu au efect de memorie (in afara de celulele LFP) si auto-descarcare redusa.
Totusi, acestea pot reprezenta un pericol pentru siguranta, deoarece contin electroliti inflamabili si, daca sunt deteriorate sau incarcate incorect, pot duce la explozii si incendii. Samsung a fost nevoit sa recheme in fabrica telefoanele Galaxy Note 7 in urma incendiilor provocate de acumulatorii litiu-ion si au existat mai multe incidente care au implicat bateriile ce folosesc aceasta tehnologie, pe avioanele Boeing 787.
Caracteristicile chimice, de performanta, cost si siguranta variaza in functie de tipurile de baterii litiu-ion. Electronica utilizeaza in principal baterii litiu-polimerice (cu un gel polimeric ca electrolit), un oxid de litiu-cobalt (LiCoO2) material catodic si un anod de grafit, care impreuna ofera o densitate mare de energie.
Fosfatul de litiu-fier (LiFePO4), oxid de litiu mangan (LiMn2O4) sau Li2MnO3 – stratificat, materialele stratificate bogate in litiu (LMR-NMC)) si oxidul de cobalt de litiu-nichel-mangan-cobalt (LiNiMnCoO2 sau NMC) pot oferi o viata mai lunga si pot avea o capacitate mai buna de tarifare. Astfel de baterii sunt utilizate pe scara larga pentru uneltele electrice, echipamente medicale si alte device-uri. NMC si derivatele sale sunt utilizate pe scara larga in vehiculele electrice.
Domeniile de cercetare pentru bateriile litiu-ion includ extinderea duratei de viata, cresterea densitatii energetice, imbunatatirea sigurantei, reducerea costurilor si cresterea vitezei de incarcare, printre altele. Cercetarile au fost in desfasurare in domeniul electrolitilor neinflamabili ca o cale catre o siguranta sporita bazata pe inflamabilitatea si volatilitatea solventilor organici utilizati in electrolitii tipici.
Strategiile includ baterii apoase litiu-ion, electroliti ceramici solizi, electroliti polimerici, lichide ionice si sisteme puternic fluorurate.
Terminologie
Baterie versus celula
- celula este o unitate electrochimica de baza care contine electrozi, separator si electrolit.
- baterie sau un pachet de baterii este o colectie de celule sau ansambluri de celule, cu carcasa, conexiuni electrice si, eventual, electronice pentru control si protectie.
Electrozi anodici si catodici
Pentru celulele reincarcabile, termenul anod (sau electrod negativ) desemneaza electrodul in care are loc oxidarea in timpul ciclului de descarcare; celalalt electrod este catodul (sau electrodul pozitiv). In timpul ciclului de incarcare, electrodul pozitiv devine anod si electrodul negativ devine catod. Pentru majoritatea celulelor litiu-ion, electrodul oxid de litiu este electrodul pozitiv; pentru celulele titanat litiu-ion (LTO), electrodul de litiu-oxid este electrodul negativ.
Background
Bateriile cu litiu au fost propuse de chimistul britanic M. Stanley Whittingham, acum la Universitatea Binghamton. Whittingham a inceput cercetarile care au dus la descoperirea sa, la Universitatea Stanford. La inceputul anilor 1970, el a descoperit cum se stocheaza ionii de litiu in straturile unui material disulfura.
Dupa ce a fost angajat de Exxon, a imbunatatit aceasta inovatie. Whittingham a folosit ca electrozi sulfura de titan (IV) si litiu metalic. Cu toate acestea, aceasta baterie reincarcabila cu litiu nu ar putea fi niciodata practica. Disulfura de titan a fost o alegere neinspirata, deoarece trebuie sintetizata in conditii complet sigilate, fiind de asemenea destul de costisitoare (~ 1.000 USD pe kilogram pentru materia prima de disulfura de titan in anii 1970).
Cand este expusa aerului, disulfura de titan reactioneaza pentru a forma compusi de hidrogen sulfurat, care au un miros neplacut si sunt toxici pentru majoritatea animalelor. Din acest motiv dar si din alte motive, Exxon a intrerupt dezvoltarea bateriei disulfura de litiu-titan a lui Whittingham. Bateriile cu electrozi metalici cu litiu au prezentat probleme de siguranta, deoarece litiul metalic reactioneaza cu apa, eliberand hidrogen gazos inflamabil. In consecinta, cercetarile s-au mutat pentru a dezvolta baterii in care, in loc de litiu metalic, sunt prezenti doar compusi de litiu, fiind capabili sa accepte si sa elibereze ioni de litiu.
Intercalatia reversibila in grafit si intercalatia in oxizi catodici a fost descoperita in perioada 1974–76 de J. O. Besenhard la TU München. Besenhard si-a propus aplicarea in celulele cu litiu. Descompunerea electrolitului si co-intercalarea solventului in grafit au fost dezavantaje grave timpurii pentru durata de viata a bateriei.
Piata
Industria a produs aproximativ 660 milioane de celule cilindrice litiu-ion in 2012; dimensiunea 18650 este de departe cea mai populara pentru celulele cilindrice. Incepand cu 2013, productia s-a deplasat treptat la celule cu capacitate mai mare de 3000+ mAh. Se astepta ca cererea anuala de celule plate de polimeri sa depaseasca 700 de milioane in 2013.
In 2015, estimarile costurilor au variat intre 300-500 USD / kWh. In 2016, GM a dezvaluit ca vor plati 145 USD / kWh pentru bateriile din Chevy Bolt EV. In 2017, se astepta scaderea costului mediu de instalare a sistemelor de stocare a energiei rezidentiale de la 1600 $ / kWh in 2015 la 250 $ / kWh pana in 2040 iar preturile continue printr-o reducere de pana la 70% pana in 2030. In 2019, unele costuri ale bateriei pentru vehicule electrice au fost estimate la 150-200 USD, iar VW a mentionat ca plateste 100 USD / kWh pentru urmatoarea sa generatie de vehicule electrice.
Bateriile sunt utilizate pentru stocarea energiei din retea si servicii auxiliare. Pentru o stocare Li-ion cuplata cu fotovoltaice si o centrala de biogaz cu digestie anaeroba, Li-ionul va genera un profit mai mare daca este ciclat mai frecvent (deci o productie de energie electrica mai mare), desi durata de viata este redusa datorita degradarii.
Celulele de litiu nichel mangan oxid cobalt (NMC) vin in mai multe tipuri comerciale, specificate prin raportul dintre metalele componente. NMC 111 (sau NMC 333) au parti egale de nichel, mangan si cobalt, in timp ce NMC 532 are 5 parti de nichel, 3 parti de mangan si 2 parti de cobalt. Incepand din 2019, NMC 532 si NMC 622 au fost tipurile preferate de cobalt scazut pentru vehiculele electrice, cu raporturi chiar mai mici de cobalt, avand o utilizare crescanda si atenuand dependenta de cobalt. Cu toate acestea, cobaltul pentru vehiculele electrice a crescut cu 81% din prima jumatate a anului 2018 la 7200 de tone in prima jumatate a anului 2019, pentru o capacitate a bateriei de 46,3 GWh.
Constructie
Cele trei componente functionale primare ale unei baterii litiu-ion sunt electrozii pozitivi, electrozii negativi si electrolitul. In general, electrodul negativ al unei celule conventionale litiu-ion este realizat din carbon. Electrodul pozitiv este de obicei un oxid de metal. Electrolitul este o sare de litiu dintr-un solvent organic. Rolurile electrochimice ale electrozilor se inverseaza intre anod si catod, in functie de directia fluxului de curent prin celula.
Cel mai popular anod comercial (electrod negativ) este grafitul, care in starea sa complet litiata de LiC6 se coreleaza cu o capacitate maxima de 372 mAh / g. Electrodul pozitiv este in general unul dintre cele trei materiale: un oxid stratificat (cum ar fi oxid de litiu-cobalt), un polianion (cum ar fi fosfatul de litiu-fier) sau un spinel (cum ar fi oxidul de litiu-mangan). Recent, electrozi care contin grafen (pe baza structurilor 2D si 3D ale grafenului) au fost, de asemenea, folositi drept componente ale electrozilor pentru bateriile cu litiu.
Electrolitul este de obicei un amestec de carbonati organici cum ar fi etilen carbonat sau dietil carbonat care contine complexe de ioni de litiu. Acesti electroliti neaposi utilizeaza in general saruri anionice fara coordonare, cum ar fi hexafluorofosfatul de litiu (LiPF6), hexafluoroarsenat de litiu monohidrat (LiAsF6), perclorat de litiu (LiClO4), tetrafluoroborat de litiu (LiBF4), si triflatul de litiu (LiCF3SO3).
In functie de alegerile materialelor, tensiunea, densitatea energiei, durata de viata si siguranta unei baterii litiu-ion se pot schimba dramatic. Efortul actual a fost in special determinat de explorarea utilizarii unor arhitecturi noi, folosind nanotehnologie, pentru a imbunatati performanta. Domeniile de interes includ materiale cu electrozi la scara nano si structuri alternative de electrod.
Litiul pur este foarte reactiv. Reactioneaza energetic cu apa pentru a forma hidroxid de litiu (LiOH) si hidrogen gazos. Astfel, se foloseste in mod obisnuit un electrolit neapos, iar un recipient etans exclude rigid umezeala din pachetul de baterii.
Bateriile litiu-ion sunt mai scumpe decat bateriile NiCd, dar functioneaza pe o gama mai larga de temperatura cu densitati de energie mai mari. Ele necesita un circuit de protectie pentru a limita tensiunea de varf.
De exemplu, pachetul de baterii al unui laptop, pentru fiecare celula litiu-ion, va contine:
- un senzor de temperatura
- un circuit regulator de tensiune
- priza de tensiune
- un monitor de incarcare
- un conector de alimentare