Una batteria agli ioni di litio o batteria agli ioni di litio (abbreviata in LIB) è un tipo di batteria ricaricabile.Le batterie agli ioni di litio sono comunemente utilizzate per l'elettronica portatile e i veicoli elettrici e stanno diventando sempre più popolari per le applicazioni militari e aerospaziali.Un prototipo di batteria agli ioni di litio è stato sviluppato da Akira Yoshino nel 1985, sulla base di precedenti ricerche di John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami e Koichi Mizushima negli anni '70 e '80, e poi una batteria agli ioni di litio commerciale è stata sviluppata da un Il team Sony e Asahi Kasei guidato da Yoshio Nishi nel 1991. Nel 2019, il Premio Nobel per la chimica è stato assegnato a Yoshino, Goodenough e Whittingham "per lo sviluppo di batterie agli ioni di litio".

Nelle batterie, gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo negativo attraverso un elettrolita all'elettrodo positivo durante la scarica e tornano durante la carica.Le batterie agli ioni di litio utilizzano un composto di litio intercalato come materiale sull'elettrodo positivo e tipicamente grafite sull'elettrodo negativo.Le batterie hanno un'elevata densità di energia, nessun effetto memoria (diverso dalle celle LFP) e una bassa autoscarica.Possono tuttavia rappresentare un pericolo per la sicurezza poiché contengono elettroliti infiammabili e, se danneggiati o caricati in modo errato, possono provocare esplosioni e incendi.Samsung è stata costretta a richiamare i telefoni Galaxy Note 7 a seguito di incendi agli ioni di litio e ci sono stati diversi incidenti che hanno coinvolto le batterie dei Boeing 787.

Chimica, prestazioni, costi e caratteristiche di sicurezza variano tra i tipi di LIB.L'elettronica portatile utilizza principalmente batterie ai polimeri di litio (con un gel polimerico come elettrolita) con ossido di cobalto di litio (LiCoO2) come materiale catodico, che offre un'elevata densità di energia, ma presenta rischi per la sicurezza, soprattutto se danneggiato.Il litio ferro fosfato (LiFePO4), l'ossido di litio manganese (LiMn2O4, Li2MnO3 o LMO) e l'ossido di cobalto litio nichel manganese (LiNiMnCoO2 o NMC) offrono una densità di energia inferiore ma una vita più lunga e una minore probabilità di incendio o esplosione.Tali batterie sono ampiamente utilizzate per utensili elettrici, apparecchiature mediche e altri ruoli.NMC e suoi derivati ​​sono ampiamente utilizzati nei veicoli elettrici.

Le aree di ricerca per le batterie agli ioni di litio includono l'estensione della durata, l'aumento della densità di energia, il miglioramento della sicurezza, la riduzione dei costi e l'aumento della velocità di ricarica, tra gli altri.Sono in corso ricerche nell'area degli elettroliti non infiammabili come via per una maggiore sicurezza basata sull'infiammabilità e sulla volatilità dei solventi organici utilizzati nell'elettrolita tipico.Le strategie includono batterie acquose agli ioni di litio, elettroliti solidi ceramici, elettroliti polimerici, liquidi ionici e sistemi fortemente fluorurati.

Batteria contro cella

Una cella è un'unità elettrochimica di base che contiene gli elettrodi, il separatore e l'elettrolita.

Una batteria o pacco batteria è una raccolta di celle o gruppi di celle, con custodia, collegamenti elettrici e possibilmente elettronica per il controllo e la protezione.

Elettrodi anodici e catodici
Per le celle ricaricabili, il termine anodo (o elettrodo negativo) designa l'elettrodo dove avviene l'ossidazione durante il ciclo di scarica;l'altro elettrodo è il catodo (o elettrodo positivo).Durante il ciclo di carica, l'elettrodo positivo diventa l'anodo e l'elettrodo negativo diventa il catodo.Per la maggior parte delle celle agli ioni di litio, l'elettrodo all'ossido di litio è l'elettrodo positivo;per le celle agli ioni di litio titanato (LTO), l'elettrodo all'ossido di litio è l'elettrodo negativo.

Storia

Sfondo

Batteria agli ioni di litio Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Germania
Le batterie al litio sono state proposte dal chimico britannico e co-destinatario del premio Nobel per la chimica 2019 M. Stanley Whittingham, ora alla Binghamton University, mentre lavorava per Exxon negli anni '70.Whittingham ha utilizzato il solfuro di titanio (IV) e il litio metallico come elettrodi.Tuttavia, questa batteria al litio ricaricabile non potrebbe mai essere resa pratica.Il disolfuro di titanio è stata una scelta sbagliata, poiché deve essere sintetizzato in condizioni completamente sigillate, essendo anche piuttosto costoso (~ $ 1.000 per chilogrammo per la materia prima disolfuro di titanio negli anni '70).Se esposto all'aria, il disolfuro di titanio reagisce per formare composti di idrogeno solforato, che hanno un odore sgradevole e sono tossici per la maggior parte degli animali.Per questo e altri motivi, Exxon ha interrotto lo sviluppo della batteria al disolfuro di litio e titanio di Whittingham.[28]Le batterie con elettrodi al litio metallici presentavano problemi di sicurezza, poiché il litio metallico reagisce con l'acqua, rilasciando gas idrogeno infiammabile.Di conseguenza, la ricerca si è spostata sullo sviluppo di batterie in cui, al posto del litio metallico, sono presenti solo composti di litio, in grado di accettare e rilasciare ioni di litio.

L'intercalazione reversibile nella grafite e l'intercalazione negli ossidi catodici fu scoperta nel 1974-76 da JO Besenhard alla TU Munich.Besenhard ne ha proposto l'applicazione nelle celle al litio.La decomposizione dell'elettrolita e la co-intercalazione del solvente nella grafite erano gravi inconvenienti iniziali per la durata della batteria.

Sviluppo

1973 – Adam Heller propone la batteria al litio cloruro di tionile, ancora utilizzata nei dispositivi medici impiantati e nei sistemi di difesa dove è richiesta una durata di conservazione superiore a 20 anni, un'elevata densità di energia e/o tolleranza per temperature di esercizio estreme.
1977 - Samar Basu ha dimostrato l'intercalazione elettrochimica del litio nella grafite presso l'Università della Pennsylvania.Ciò ha portato allo sviluppo di un elettrodo di grafite intercalato al litio funzionante presso i Bell Labs (LiC6) per fornire un'alternativa alla batteria dell'elettrodo al litio metallico.
1979 – Lavorando in gruppi separati, Ned A. Godshall et al., e, poco dopo, John B. Goodenough (Oxford University) e Koichi Mizushima (Tokyo University), hanno dimostrato una cella al litio ricaricabile con voltaggio nell'intervallo 4 V utilizzando litio biossido di cobalto (LiCoO2) come elettrodo positivo e litio metallico come elettrodo negativo.Questa innovazione ha fornito il materiale dell'elettrodo positivo che ha consentito le prime batterie al litio commerciali.LiCoO2 è un materiale per elettrodo positivo stabile che funge da donatore di ioni di litio, il che significa che può essere utilizzato con un materiale per elettrodo negativo diverso dal litio metallico.Consentendo l'uso di materiali per elettrodi negativi stabili e facili da maneggiare, LiCoO2 ha consentito nuovi sistemi di batterie ricaricabili.Godshall et al.ulteriormente identificato il valore simile degli ossidi metallici di transizione del litio composti ternari come lo spinello LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 e LiFe5O4 (e successivamente catodi di litio-rame e catodi di litio-nichel-ossido nel 1985)
1980 - Rachid Yazami ha dimostrato l'intercalazione elettrochimica reversibile del litio nella grafite e ha inventato l'elettrodo di grafite di litio (anodo).Gli elettroliti organici disponibili in quel momento si decomporrebbero durante la carica con un elettrodo negativo di grafite.Yazami ha utilizzato un elettrolita solido per dimostrare che il litio potrebbe essere intercalato in modo reversibile nella grafite attraverso un meccanismo elettrochimico.A partire dal 2011, l'elettrodo di grafite di Yazami era l'elettrodo più comunemente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio commerciali.
L'elettrodo negativo ha le sue origini nel PAS (materiale semiconduttivo poliacenico) scoperto da Tokio Yamabe e successivamente da Shjzukuni Yata all'inizio degli anni '80.Il seme di questa tecnologia è stata la scoperta di polimeri conduttivi da parte del professor Hideki Shirakawa e del suo gruppo, e potrebbe anche essere vista come iniziata dalla batteria agli ioni di litio poliacetilene sviluppata da Alan MacDiarmid e Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.hanno ottenuto il brevetto statunitense 4.340.652 per l'uso di LiCoO2 come catodi nelle batterie al litio, sulla base del dottorato di ricerca della Stanford University di Godshall.dissertazione e pubblicazioni del 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David e John Goodenough hanno sviluppato uno spinello al manganese come materiale catodico caricato commercialmente rilevante per batterie agli ioni di litio.
1985 - Akira Yoshino ha assemblato un prototipo di cella utilizzando materiale carbonioso in cui gli ioni di litio potevano essere inseriti come un elettrodo e l'ossido di cobalto di litio (LiCoO2) come l'altro.Questa sicurezza notevolmente migliorata.LiCoO2 ha consentito la produzione su scala industriale e ha consentito la batteria commerciale agli ioni di litio.
1989 – Arumugam Manthiram e John B. Goodenough scoprono la classe dei catodi dei polianioni.Hanno dimostrato che gli elettrodi positivi contenenti polianioni, ad esempio solfati, producono tensioni più elevate rispetto agli ossidi a causa dell'effetto induttivo del polianione.Questa classe di polianioni contiene materiali come il fosfato di ferro e litio.

< continua...>