Լիթիում-իոնային մարտկոցը կամ Li-ion մարտկոցը (կրճատ՝ LIB) վերալիցքավորվող մարտկոցի տեսակ է։Լիթիում-իոնային մարտկոցները սովորաբար օգտագործվում են շարժական էլեկտրոնիկայի և էլեկտրական մեքենաների համար և մեծ ժողովրդականություն են վայելում ռազմական և օդատիեզերական ծրագրերում:Li-ion մարտկոցի նախատիպը մշակվել է Ակիրա Յոշինոյի կողմից 1985 թվականին՝ հիմնվելով Ջոն Գուդենաֆի, Մ. Սթենլի Ուիթինգհեմի, Ռաչիդ Յազամիի և Կոիչի Միզուսիմայի ավելի վաղ հետազոտությունների վրա 1970-1980-ական թվականներին, իսկ այնուհետև ստեղծվել է առևտրային Li-ion մարտկոց: Sony և Asahi Kasei թիմը Յոշիո Նիշիի գլխավորությամբ 1991 թվականին: 2019 թվականին քիմիայի ոլորտում Նոբելյան մրցանակը շնորհվեց Յոշինոյին, Գուդենաֆին և Ուիթինգհեմին «լիթիումի իոնային մարտկոցների մշակման համար»:

Մարտկոցներում լիթիումի իոնները լիցքաթափման ժամանակ բացասական էլեկտրոդից շարժվում են էլեկտրոլիտի միջով դեպի դրական էլեկտրոդ, իսկ լիցքավորման ժամանակ՝ հետ։Li-ion մարտկոցները օգտագործում են միացվող լիթիումային միացություն՝ որպես նյութ դրական էլեկտրոդում, իսկ սովորաբար գրաֆիտը՝ բացասական էլեկտրոդում:Մարտկոցներն ունեն էներգիայի բարձր խտություն, հիշողության ազդեցություն չունեն (բացի LFP բջիջներից) և ցածր ինքնալիցքաթափում:Այնուամենայնիվ, դրանք կարող են անվտանգության վտանգ լինել, քանի որ դրանք պարունակում են դյուրավառ էլեկտրոլիտներ, և եթե դրանք վնասվեն կամ սխալ լիցքավորվեն, կարող են հանգեցնել պայթյունների և հրդեհների:Samsung-ը ստիպված էր հետ կանչել Galaxy Note 7 հեռախոսները լիթիում-իոնային հրդեհներից հետո, և մի քանի միջադեպեր են տեղի ունեցել Boeing 787-ի մարտկոցների հետ:

Քիմիայի, կատարողականի, ծախսերի և անվտանգության բնութագրերը տարբերվում են LIB-ի տեսակների մեջ:Ձեռքի էլեկտրոնիկան հիմնականում օգտագործում է լիթիումի պոլիմերային մարտկոցներ (պոլիմերային գելով որպես էլեկտրոլիտ) լիթիումի կոբալտի օքսիդով (LiCoO2) որպես կաթոդ նյութ, որն ապահովում է էներգիայի բարձր խտություն, բայց ներկայացնում է անվտանգության ռիսկեր, հատկապես երբ վնասված է:Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը (LiFePO4), լիթիումի մանգանի օքսիդը (LiMn2O4, Li2MnO3 կամ LMO) և լիթիումի նիկելի մանգան կոբալտի օքսիդը (LiNiMnCoO2 կամ NMC) էներգիայի ավելի ցածր խտություն են տալիս, բայց ավելի երկար կյանք և հրդեհի կամ պայթյունի ավելի քիչ հավանականություն:Նման մարտկոցները լայնորեն օգտագործվում են էլեկտրական գործիքների, բժշկական սարքավորումների և այլ դերերի համար:NMC-ն և դրա ածանցյալները լայնորեն օգտագործվում են էլեկտրական մեքենաներում:

Լիթիում-իոնային մարտկոցների հետազոտական ​​ոլորտները ներառում են ծառայության ժամկետի երկարացում, էներգիայի խտության ավելացում, անվտանգության բարելավում, ծախսերի կրճատում և լիցքավորման արագության բարձրացում, ի թիվս այլոց:Հետազոտություններ են իրականացվել ոչ դյուրավառ էլեկտրոլիտների ոլորտում՝ որպես տիպիկ էլեկտրոլիտում օգտագործվող օրգանական լուծիչների դյուրավառության և անկայունության հիման վրա անվտանգության բարձրացման ուղի:Ռազմավարությունները ներառում են ջրային լիթիում-իոնային մարտկոցներ, կերամիկական պինդ էլեկտրոլիտներ, պոլիմերային էլեկտրոլիտներ, իոնային հեղուկներ և մեծապես ֆտորացված համակարգեր:

Մարտկոցն ընդդեմ բջջայինի

Բջջը հիմնական էլեկտրաքիմիական միավոր է, որը պարունակում է էլեկտրոդներ, բաժանարար և էլեկտրոլիտ:

Մարտկոցը կամ մարտկոցի փաթեթը բջիջների կամ բջիջների հավաքույթների հավաքածու է, որտեղ կա կացարան, էլեկտրական միացումներ և, հնարավոր է, էլեկտրոնիկա՝ կառավարման և պաշտպանության համար:

Անոդ և կաթոդ էլեկտրոդներ
Վերալիցքավորվող բջիջների համար անոդ (կամ բացասական էլեկտրոդ) տերմինը նշանակում է այն էլեկտրոդը, որտեղ օքսիդացում է տեղի ունենում լիցքաթափման ցիկլի ընթացքում.մյուս էլեկտրոդը կաթոդն է (կամ դրական էլեկտրոդը):Լիցքավորման ցիկլի ընթացքում դրական էլեկտրոդը դառնում է անոդ, իսկ բացասական էլեկտրոդը՝ կաթոդ։Լիթիում-իոնային բջիջների մեծ մասի համար լիթիում-օքսիդի էլեկտրոդը դրական էլեկտրոդ է.Titanate lithium-ion բջիջների համար (LTO) լիթիում-օքսիդ էլեկտրոդը բացասական էլեկտրոդ է:

Պատմություն

Նախապատմություն

Varta լիթիում-իոնային մարտկոց, թանգարանի ավտոտեսիլ, Ալթլուսհայմ, Գերմանիա
Լիթիումի մարտկոցները առաջարկվել են բրիտանացի քիմիկոս և 2019 թվականի քիմիայի Նոբելյան մրցանակի համահեղինակ Մ. Սթենլի Ուիթինգհեմի կողմից, որն այժմ Բինգհեմթոնի համալսարանում է, երբ աշխատում էր Exxon-ում 1970-ականներին:Ուիթինգհեմը որպես էլեկտրոդներ օգտագործել է տիտանի (IV) սուլֆիդ և լիթիում մետաղ։Այնուամենայնիվ, այս վերալիցքավորվող լիթիումային մարտկոցը երբեք չի կարող գործնական լինել:Տիտանի դիսուլֆիդը վատ ընտրություն էր, քանի որ այն պետք է սինթեզվի ամբողջովին փակ պայմաններում, որը նաև բավականին թանկ է (1970-ականներին տիտանի դիսուլֆիդի հումքի համար 1000 դոլար մեկ կիլոգրամի դիմաց):Օդի հետ ենթարկվելիս տիտանի դիսուլֆիդը արձագանքում է՝ առաջացնելով ջրածնի սուլֆիդային միացություններ, որոնք ունեն տհաճ հոտ և թունավոր են կենդանիների մեծ մասի համար։Այս և այլ պատճառներով Exxon-ը դադարեցրեց Ուիթինգհեմի լիթիում-տիտան դիսուլֆիդային մարտկոցի մշակումը[28]։Մետաղական լիթիումի էլեկտրոդներով մարտկոցները ներկայացնում էին անվտանգության խնդիրներ, քանի որ լիթիում մետաղը փոխազդում է ջրի հետ՝ ազատելով դյուրավառ ջրածնային գազ։Հետևաբար, հետազոտությունը շարժվեց դեպի մշակել մարտկոցներ, որոնցում, մետաղական լիթիումի փոխարեն, առկա են միայն լիթիումի միացություններ, որոնք կարող են ընդունել և ազատել լիթիումի իոնները:

Գրաֆիտի հետադարձելի ինտերկալացիան և կաթոդային օքսիդների մեջ ինտերկալացիան հայտնաբերվել է 1974–76 թվականներին Ջ.Օ. Բեսենհարդի կողմից Մյունխենի համալսարանում։Բեսենհարդն առաջարկել է դրա կիրառումը լիթիումային բջիջներում։Էլեկտրոլիտի տարրալուծումը և լուծիչի միաձուլումը գրաֆիտի մեջ մարտկոցի կյանքի լուրջ թերություններ էին:

Զարգացում

1973 - Ադամ Հելլերն առաջարկեց լիթիումի թիոնիլքլորիդային մարտկոցը, որը դեռ օգտագործվում է իմպլանտացված բժշկական սարքերում և պաշտպանական համակարգերում, որտեղ պահանջվում է ավելի քան 20 տարվա պահպանման ժամկետ, էներգիայի բարձր խտություն և/կամ հանդուրժողականություն ծայրահեղ աշխատանքային ջերմաստիճանների նկատմամբ:
1977 - Սամար Բասուն ցուցադրեց գրաֆիտի մեջ լիթիումի էլեկտրաքիմիական փոխազդեցությունը Փենսիլվանիայի համալսարանում:Սա հանգեցրեց Bell Labs-ում (LiC6) աշխատունակ լիթիումով ներկառուցված գրաֆիտի էլեկտրոդի ստեղծմանը, որը լիթիումի մետաղական էլեկտրոդի մարտկոցին այլընտրանք է ապահովելու:
1979 - Աշխատելով առանձին խմբերում, Նեդ Ա. Գոդշալը և ուրիշները, և դրանից կարճ ժամանակ անց Ջոն Բ. Գուդենաֆը (Օքսֆորդի համալսարան) և Կոիչի Միզուսիման (Տոկիոյի համալսարան), ցուցադրեցին վերալիցքավորվող լիթիումային բջիջ՝ 4 Վ տիրույթում լարման միջոցով, օգտագործելով լիթիում: կոբալտի երկօքսիդը (LiCoO2) որպես դրական էլեկտրոդ և լիթիումի մետաղը որպես բացասական էլեկտրոդ:Այս նորամուծությունը տրամադրեց դրական էլեկտրոդային նյութ, որը հնարավորություն տվեց վաղ առևտրային լիթիումային մարտկոցների:LiCoO2-ը կայուն դրական էլեկտրոդային նյութ է, որը հանդես է գալիս որպես լիթիումի իոնների դոնոր, ինչը նշանակում է, որ այն կարող է օգտագործվել բացասական էլեկտրոդի նյութի հետ, բացի լիթիում մետաղից:Հնարավորություն տալով օգտագործել կայուն և հեշտ կառավարվող բացասական էլեկտրոդային նյութերը՝ LiCoO2-ը հնարավորություն տվեց վերալիցքավորվող մարտկոցների նոր համակարգերին:Godshall et al.Այնուհետև բացահայտեց լիթիումի անցումային մետաղների եռակի միացությունների նման արժեքը, ինչպիսիք են սպինելի LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 և LiFe5O4 (և ավելի ուշ՝ լիթիում-պղնձի օքսիդ և լիթիում-նիկել-օքսիդ կաթոդ նյութերը 19-ում)
1980 - Ռաչիդ Յազամին ցուցադրեց գրաֆիտում լիթիումի հետադարձելի էլեկտրաքիմիական ներարկումը և հայտնագործեց լիթիումի գրաֆիտի էլեկտրոդը (անոդ):Այն ժամանակ առկա օրգանական էլեկտրոլիտները քայքայվում են գրաֆիտային բացասական էլեկտրոդով լիցքավորվելու ժամանակ:Յազամին օգտագործեց պինդ էլեկտրոլիտ՝ ցույց տալու համար, որ լիթիումը կարող է շրջելիորեն ներթափանցվել գրաֆիտում էլեկտրաքիմիական մեխանիզմի միջոցով:2011 թվականի դրությամբ Յազամիի գրաֆիտի էլեկտրոդը առևտրային լիթիում-իոնային մարտկոցներում ամենատարածված էլեկտրոդն էր:
Բացասական էլեկտրոդը ծագում է PAS-ից (պոլիացենիկ կիսահաղորդչային նյութ), որը հայտնաբերել է Տոկիո Յամաբեն, իսկ ավելի ուշ՝ Շջզուկունի Յատան 1980-ականների սկզբին:Այս տեխնոլոգիայի հիմքը պրոֆեսոր Հիդեկի Շիրակավայի և նրա խմբի կողմից հաղորդիչ պոլիմերների հայտնաբերումն էր, և կարելի էր նաև համարել, որ այն սկսվել է պոլիացետիլեն լիթիումի իոնային մարտկոցից, որը մշակվել է Ալան ՄաքԴիարմիդի և Ալան Ջ.
1982 - Godshall et al.ստացել են ԱՄՆ արտոնագիր 4,340,652 LiCoO2-ի օգտագործման համար որպես կաթոդ լիթիումային մարտկոցներում՝ հիմնված Գոդշալի Սթենֆորդի համալսարանի Ph.D.-ի վրա:ատենախոսություն և 1979 թ.
1983 - Մայքլ Մ. Թեքերեյը, Փիթեր Բրյուսը, Ուիլյամ Դեյվիդը և Ջոն Գուդենաֆը մշակել են մանգանային սպինել՝ որպես առևտրային առումով համապատասխան լիցքավորված կաթոդ նյութ լիթիում-իոնային մարտկոցների համար:
1985 - Ակիրա Յոշինոն հավաքեց բջիջի նախատիպը, օգտագործելով ածխածնային նյութ, որի մեջ լիթիումի իոնները կարող էին տեղադրվել որպես մեկ էլեկտրոդ, իսկ լիթիումի կոբալտի օքսիդը (LiCoO2) որպես մյուսը:Սա կտրուկ բարելավեց անվտանգությունը:LiCoO2-ը հնարավորություն տվեց արտադրել արդյունաբերական մասշտաբով և միացրեց առևտրային լիթիում-իոնային մարտկոցը:
1989 - Արումուգամ Մանտիրամը և Ջոն Բ. Գուդենաֆը հայտնաբերեցին կաթոդների պոլիանիոնների դասը:Նրանք ցույց տվեցին, որ պոլիանիոններ պարունակող դրական էլեկտրոդները, օրինակ՝ սուլֆատները, ավելի բարձր լարումներ են արտադրում, քան օքսիդները՝ շնորհիվ պոլիանիոնի ինդուկտիվ ազդեցության:Այս պոլիանիոնների դասը պարունակում է նյութեր, ինչպիսիք են լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը:

<շարունակելի…>