סוללת ליתיום-יון או סוללת Li-ion (בקיצור LIB) היא סוג של סוללה נטענת.סוללות ליתיום-יון משמשות בדרך כלל עבור אלקטרוניקה ניידת וכלי רכב חשמליים והולכות וגדלות בפופולריות ליישומים צבאיים וחלליים.אב טיפוס של סוללת Li-ion פותחה על ידי Akira Yoshino בשנת 1985, בהתבסס על מחקר מוקדם יותר של ג'ון Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami ו-Koichi Mizushima במהלך שנות ה-70-1980, ולאחר מכן פותחה סוללת Li-ion מסחרית על ידי צוות סוני ו-Asahi Kasei בראשות Yoshio Nishi בשנת 1991. בשנת 2019, הוענק פרס נובל בכימיה ליושינו, Goodenough, וויטינגהאם "על פיתוח סוללות ליתיום יון".

בסוללות, יוני ליתיום עוברים מהאלקטרודה השלילית דרך אלקטרוליט אל האלקטרודה החיובית בזמן הפריקה, ובחזרה בעת הטעינה.סוללות Li-ion משתמשות בתרכובת ליתיום משולבת כחומר באלקטרודה החיובית ובדרך כלל גרפיט באלקטרודה השלילית.לסוללות צפיפות אנרגיה גבוהה, ללא אפקט זיכרון (מלבד תאי LFP) ופריקה עצמית נמוכה.עם זאת, הם עלולים להוות סכנה בטיחותית מכיוון שהם מכילים אלקטרוליטים דליקים, ואם הם פגומים או טעונים בצורה שגויה עלולים להוביל לפיצוצים ולשריפות.סמסונג נאלצה להחזיר את מכשירי הגלקסי נוט 7 בעקבות שריפות ליתיום-יון, והיו מספר תקריות עם סוללות במטוסי בואינג 787.

מאפייני הכימיה, הביצועים, העלות והבטיחות משתנים בין סוגי LIB.אלקטרוניקה כף יד משתמשת בעיקר בסוללות ליתיום פולימר (עם ג'ל פולימרי כאלקטרוליט) עם תחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO2) כחומר קתודה, המציע צפיפות אנרגיה גבוהה, אך מהווה סיכונים בטיחותיים, במיוחד כאשר ניזוק.ליתיום ברזל פוספט (LiFePO4), תחמוצת ליתיום מנגן (LiMn2O4, Li2MnO3 או LMO), ותחמוצת ליתיום ניקל מנגן קובלט (LiNiMnCoO2 או NMC) מציעים צפיפות אנרגיה נמוכה יותר אך חיים ארוכים יותר ופחות סבירות לשריפה או פיצוץ.סוללות כאלה נמצאות בשימוש נרחב עבור כלים חשמליים, ציוד רפואי ותפקידים אחרים.NMC ונגזרותיה נמצאים בשימוש נרחב בכלי רכב חשמליים.

תחומי מחקר עבור סוללות ליתיום-יון כוללים בין היתר הארכת אורך החיים, הגדלת צפיפות האנרגיה, שיפור הבטיחות, הפחתת עלויות והגדלת מהירות הטעינה.מחקר נערך בתחום האלקטרוליטים הבלתי דליקים כמסלול לבטיחות מוגברת המבוססת על דליקות ותנודתיות של הממיסים האורגניים המשמשים באלקטרוליט האופייני.האסטרטגיות כוללות סוללות ליתיום-יון מימיות, אלקטרוליטים מוצקים קרמיים, אלקטרוליטים פולימריים, נוזלים יוניים ומערכות מופלרות בכבדות.

סוללה מול תא

תא הוא יחידה אלקטרוכימית בסיסית המכילה את האלקטרודות, המפריד והאלקטרוליט.

סוללה או ערכת סוללות היא אוסף של תאים או מכלולי תאים, עם דיור, חיבורים חשמליים, ואולי גם אלקטרוניקה לשליטה והגנה.

אלקטרודות אנודה וקתודה
עבור תאים נטענים, המונח אנודה (או אלקטרודה שלילית) מציין את האלקטרודה שבה מתרחש החמצון במהלך מחזור הפריקה;האלקטרודה השנייה היא הקתודה (או האלקטרודה החיובית).במהלך מחזור הטעינה, האלקטרודה החיובית הופכת לאנודה והאלקטרודה השלילית הופכת לקתודה.עבור רוב תאי הליתיום-יון, אלקטרודת הליתיום-אוקסיד היא האלקטרודה החיובית;עבור תאי ליתיום-יון טיטנאט (LTO), אלקטרודת הליתיום-אוקסיד היא האלקטרודה השלילית.

הִיסטוֹרִיָה

רקע כללי

סוללת ליתיום-יון של Varta, Museum Autovision, Altlussheim, גרמניה
סוללות ליתיום הוצעו על ידי כימאי בריטי וזוכה שותף בפרס נובל לכימיה לשנת 2019, M. Stanley Whittingham, כעת באוניברסיטת Binghamton, בזמן שעבד עבור Exxon בשנות ה-70.וויטינגהאם השתמשה מטיטניום (IV) גופרתי ומתכת ליתיום בתור האלקטרודות.עם זאת, סוללת ליתיום נטענת זו לעולם לא תוכל להיות מעשית.טיטניום דיסולפיד היה בחירה גרועה, מכיוון שהוא צריך להיות מסונתז בתנאים אטומים לחלוטין, גם הוא יקר למדי (~1,000 דולר לקילוגרם עבור חומר גלם טיטניום דיסולפיד בשנות ה-70).בחשיפה לאוויר, טיטניום דיסולפיד מגיב ליצירת תרכובות מימן גופרתי, בעלות ריח לא נעים והן רעילות לרוב בעלי החיים.מסיבה זו, ומסיבות אחרות, Exxon הפסיקה את הפיתוח של סוללת הליתיום-טיטניום דיסולפיד של Whittingham.[28]סוללות עם אלקטרודות ליתיום מתכתיות הציגו בעיות בטיחות, שכן מתכת ליתיום מגיבה עם מים ומשחררת גז מימן דליק.כתוצאה מכך, המחקר עבר לפיתוח סוללות שבהן, במקום ליתיום מתכתי, קיימות רק תרכובות ליתיום, המסוגלות לקלוט ולשחרר יוני ליתיום.

אינטרקלציה הפיכה בגרפיט ואינטרקלציה לתחמוצות קתודיות התגלתה במהלך 1974-76 על ידי JO Besenhard ב-TU מינכן.Besenhard הציע את היישום שלה בתאי ליתיום.פירוק אלקטרוליטים ושילוב ממס לגרפיט היו חסרונות מוקדמים חמורים עבור חיי הסוללה.

התפתחות

1973 - אדם הלר הציע את סוללת הליתיום תיוניל כלוריד, שעדיין משמשת במכשירים רפואיים מושתלים ובמערכות הגנה שבהן נדרשים חיי מדף של יותר מ-20 שנה, צפיפות אנרגיה גבוהה ו/או סובלנות לטמפרטורות הפעלה קיצוניות.
1977 - סמאר באסו הדגים שילוב אלקטרוכימי של ליתיום בגרפיט באוניברסיטת פנסילבניה.זה הוביל לפיתוח של אלקטרודת גרפיט משולבת ליתיום ניתנת לעבודה ב-Bell Labs (LiC6) כדי לספק חלופה לסוללת אלקטרודת מתכת ליתיום.
1979 - עבודה בקבוצות נפרדות, Ned A. Godshall וחב', וזמן קצר לאחר מכן, ג'ון ב. גודנו (אוניברסיטת אוקספורד) ו-Koichi Mizushima (אוניברסיטת טוקיו), הדגימו תא ליתיום נטען עם מתח בטווח 4 V באמצעות ליתיום דו תחמוצת הקובלט (LiCoO2) בתור האלקטרודה החיובית ומתכת ליתיום בתור האלקטרודה השלילית.חידוש זה סיפק את חומר האלקטרודה החיובית שאיפשר סוללות ליתיום מסחריות מוקדמות.LiCoO2 הוא חומר אלקטרודה חיובי יציב הפועל כתורם של יוני ליתיום, מה שאומר שניתן להשתמש בו עם חומר אלקטרודה שלילי שאינו מתכת ליתיום.על ידי מתן אפשרות לשימוש בחומרי אלקטרודה שליליים יציבים וקלים לטיפול, LiCoO2 אפשרה מערכות סוללות נטענות חדשות.גודשל ואח'.זיהה עוד את הערך הדומה של תחמוצות מתכת מעבר ליתיום תרכובות, כגון ספינל LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, ו-LiFe5O4 (ומאוחר יותר ליתיום-נחושת-אוקסיד וחומרי קתודה של ליתיום-ניקל-אוקסיד בשנת 1985)
1980 - Rachid Yazami הדגים את האינטרקלציה האלקטרוכימית הפיכה של ליתיום בגרפיט, והמציאה את האלקטרודה (אנודה) ליתיום גרפיט.האלקטרוליטים האורגניים הזמינים באותה עת היו מתפרקים במהלך הטעינה באמצעות אלקטרודה שלילית גרפיט.Yazami השתמש באלקטרוליט מוצק כדי להדגים שניתן לשלב ליתיום בצורה הפיכה בגרפיט באמצעות מנגנון אלקטרוכימי.נכון לשנת 2011, אלקטרודת הגרפיט של Yazami הייתה האלקטרודה הנפוצה ביותר בסוללות ליתיום-יון מסחריות.
מקורה של האלקטרודה השלילית ב-PAS (חומר מוליכים למחצה פוליאציניים) שהתגלה על ידי Tokio Yamabe ומאוחר יותר על ידי Shjzukuni Yata בתחילת שנות ה-80.הזרע של טכנולוגיה זו היה גילוי פולימרים מוליכים על ידי פרופסור Hideki Shirakawa וקבוצתו, וניתן היה לראות את זה גם כמי שהתחיל מסוללת ליתיום יון פוליאצטילן שפותחה על ידי Alan MacDiarmid ואלן J. Heeger et al.
1982 - Godshall et al.זכו בפטנט אמריקאי 4,340,652 על השימוש ב-LiCoO2 כקתודות בסוללות ליתיום, בהתבסס על הדוקטורט של Godshall מאוניברסיטת Stanford University.עבודת גמר ופרסומים משנת 1979.
1983 - מייקל מ. תאקרי, פיטר ברוס, וויליאם דיוויד וג'ון גודנו פיתחו ספינל מנגן כחומר קתודה נטען רלוונטי מסחרית עבור סוללות ליתיום-יון.
1985 - אקירה יושינו הרכיב תא אב טיפוס באמצעות חומר פחמיני שאליו ניתן היה להחדיר יוני ליתיום כאלקטרודה אחת, ותחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO2) כאחרת.זה שיפר באופן דרמטי את הבטיחות.LiCoO2 איפשר ייצור בקנה מידה תעשייתי ואיפשר את סוללת הליתיום-יון המסחרית.
1989 - Arumugam Manthiram וג'ון B. Goodenough גילו את מחלקת הפוליאניונים של הקתודות.הם הראו שאלקטרודות חיוביות המכילות פוליאניונים, למשל, סולפטים, מייצרות מתחים גבוהים יותר מאשר תחמוצות בשל ההשפעה האינדוקטיבית של הפוליאניון.מחלקה פוליאניונים זו מכילה חומרים כגון פוספט ליתיום ברזל.

< להמשך...>