Η μπαταρία ιόντων λιθίου αρχίζει να τρέχει μέχρι το τέλος, πλησιάζοντας την μπαταρία ισχύος

Το 1800, ο Alessandro Volta, ένας Ιταλός φυσικός, εφηύρε τη στοίβα Volta, την πρώτη μπαταρία στην ανθρώπινη ιστορία. Η πρώτη μπαταρία κατασκευάστηκε από φύλλα ψευδαργύρου (άνοδος) και χαλκού (κάθοδος) και χαρτί εμποτισμένο με αλμυρό νερό (ηλεκτρολύτη), αποδεικνύοντας την τεχνητή δυνατότητα ηλεκτρισμού.

Από τότε, ως συσκευή που μπορεί να παρέχει συνεχές και σταθερό ρεύμα, οι μπαταρίες έχουν γνωρίσει περισσότερα από 200 χρόνια ανάπτυξης και συνεχίζουν να καλύπτουν τη ζήτηση των ανθρώπων για ευέλικτη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας.

Τα τελευταία χρόνια, με την τεράστια ζήτηση για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και την αυξανόμενη ανησυχία για την περιβαλλοντική ρύπανση, οι δευτερεύουσες μπαταρίες (ή μπαταρίες) που μπορούν να μετατρέψουν άλλες μορφές ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια και να την αποθηκεύσουν με τη μορφή χημικής ενέργειας συνεχίζουν να επιφέρουν αλλαγές στην ενέργεια Σύστημα.

Η ανάπτυξη της μπαταρίας λιθίου δείχνει την πρόοδο της κοινωνίας από μια άλλη πτυχή. Στην πραγματικότητα, η ταχεία ανάπτυξη των κινητών τηλεφώνων, των υπολογιστών, των καμερών και των ηλεκτρικών οχημάτων βασίζεται στην ωριμότητα της τεχνολογίας των μπαταριών λιθίου.

Chen Gen. Η γέννηση και το άγχος της μπαταρίας λιθίου πλησιάζουν

Η γέννηση της μπαταρίας λιθίου

Η μπαταρία έχει θετικούς και αρνητικούς πόλους. Ο θετικός πόλος, γνωστός και ως κάθοδος, είναι συνήθως κατασκευασμένος από πιο σταθερά υλικά, ενώ ο αρνητικός πόλος, γνωστός και ως άνοδος, είναι συνήθως κατασκευασμένος από «πολύ ενεργά» μεταλλικά υλικά. Ο θετικός και ο αρνητικός πόλος διαχωρίζονται με ηλεκτρολύτη και αποθηκεύονται με τη μορφή χημικής ενέργειας.

Η χημική αντίδραση μεταξύ των δύο πόλων παράγει ιόντα και ηλεκτρόνια. Αυτά τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια κινούνται στη μπαταρία, αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς τα έξω, σχηματίζοντας έναν κύκλο και δημιουργώντας ηλεκτρισμό.

Στη δεκαετία του 1970, η πετρελαϊκή κρίση στις Ηνωμένες Πολιτείες, σε συνδυασμό με τη νέα ζήτηση ενέργειας στον στρατό, την αεροπορία, την ιατρική και άλλους τομείς, τόνωσαν την αναζήτηση επαναφορτιζόμενων μπαταριών για την αποθήκευση ανανεώσιμων πηγών καθαρής ενέργειας.

Από όλα τα μέταλλα, το λίθιο έχει πολύ χαμηλό ειδικό βάρος και δυναμικό ηλεκτροδίου. Με άλλα λόγια, το σύστημα μπαταριών λιθίου μπορεί να επιτύχει τη μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα θεωρητικά, επομένως το λίθιο είναι η φυσική επιλογή των σχεδιαστών μπαταριών.

Ωστόσο, το λίθιο είναι εξαιρετικά αντιδραστικό και μπορεί να καεί και να εκραγεί όταν εκτεθεί σε νερό ή αέρα. Ως εκ τούτου, η εξημέρευση του λιθίου έχει γίνει το κλειδί για την ανάπτυξη της μπαταρίας. Επιπλέον, το λίθιο μπορεί εύκολα να αντιδράσει με νερό σε θερμοκρασία δωματίου. Εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί μεταλλικό λίθιο σε συστήματα μπαταριών, είναι απαραίτητο να εισαχθούν μη υδατικοί ηλεκτρολύτες.

Το 1958, ο Χάρις πρότεινε τη χρήση οργανικού ηλεκτρολύτη ως ηλεκτρολύτη μεταλλικής μπαταρίας. Το 1962, η Lockheed Mission και η SpaceCo. Ο Chilton Jr. του στρατού των ΗΠΑ And Cook πρότεινε την ιδέα του «συστήματος μη υδατικών ηλεκτρολυτών λιθίου».

Οι Chilton και Cook σχεδίασαν έναν νέο τύπο μπαταρίας, που χρησιμοποιεί μέταλλο λιθίου ως κάθοδο, αλογονίδια Ag, Cu, Ni ως κάθοδο και μεταλλικό άλας χαμηλού σημείου τήξης lic1-AlCl3 διαλυμένο σε ανθρακικό προπυλένιο ως ηλεκτρολύτη. Αν και το πρόβλημα της μπαταρίας την κάνει να παραμένει στην ιδέα και όχι στην εμπορική σκοπιμότητα, η εργασία των Chilton και Cook είναι η αρχή της έρευνας για τις μπαταρίες λιθίου.

Το 1970, η Panasonic Electric Co. της Ιαπωνίας και ο στρατός των ΗΠΑ συνέθεσαν ανεξάρτητα ένα νέο υλικό καθόδου - φθόριο άνθρακα σχεδόν ταυτόχρονα. Ο κρυσταλλικός φθοριούχος άνθρακας με τη μοριακή έκφραση του (CFx) N (0,5 ≤ x ≤ 1) παρασκευάστηκε επιτυχώς από την Panasonic Electric Co., Ltd. και χρησιμοποιήθηκε ως άνοδος της μπαταρίας λιθίου. Η εφεύρεση της μπαταρίας φθοριούχου λιθίου είναι ένα σημαντικό βήμα στην ιστορία της ανάπτυξης μπαταριών λιθίου. Αυτή είναι η πρώτη φορά που εισάγεται η "ενσωματωμένη ένωση" στο σχεδιασμό της μπαταρίας λιθίου.

Ωστόσο, για να πραγματοποιηθεί η αναστρέψιμη φόρτιση και εκφόρτιση της μπαταρίας λιθίου, το κλειδί είναι η αναστρεψιμότητα της χημικής αντίδρασης. Εκείνη την εποχή, οι περισσότερες μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούσαν ανόδους λιθίου και οργανικούς ηλεκτρολύτες. Προκειμένου να πραγματοποιήσουν επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, οι επιστήμονες άρχισαν να μελετούν την αναστρέψιμη εισαγωγή ιόντων λιθίου στο θετικό ηλεκτρόδιο του θειούχου μετάλλου μετάπτωσης σε στρώματα.

Ο Stanley Whittingham της ExxonMobil διαπίστωσε ότι η χημική αντίδραση παρεμβολής μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας στρωματοποιημένο TiS2 ως υλικό καθόδου και το προϊόν εκκένωσης είναι LiTiS2.

Το 1976, η μπαταρία που αναπτύχθηκε από τον Whittingham πέτυχε καλή αρχική απόδοση. Ωστόσο, μετά από επαναλαμβανόμενη φόρτιση και εκφόρτιση για πολλές φορές, σχηματίστηκαν δενδρίτες λιθίου στην μπαταρία. Οι δενδρίτες μεγάλωσαν από τον αρνητικό πόλο στο θετικό, σχηματίζοντας βραχυκύκλωμα, το οποίο προκάλεσε τον κίνδυνο ανάφλεξης του ηλεκτρολύτη και τελικά απέτυχε.

Το 1989, λόγω του ατυχήματος πυρκαγιάς δευτερευουσών μπαταριών λιθίου/μολυβδαινίου, οι περισσότερες εταιρείες εκτός από μερικές αποσύρθηκαν από την ανάπτυξη δευτερογενών μπαταριών μετάλλου λιθίου. Η ανάπτυξη δευτερογενών μπαταριών μετάλλου λιθίου ουσιαστικά σταμάτησε επειδή το πρόβλημα ασφάλειας δεν μπορούσε να λυθεί.

Λόγω της κακής επίδρασης των διαφόρων τροποποιήσεων, η έρευνα για τη δευτερεύουσα μπαταρία μετάλλου λιθίου παρέμεινε στάσιμη. Τέλος, οι ερευνητές επέλεξαν μια ριζική λύση: μια μπαταρία κουνιστή καρέκλας με ενσωματωμένες ενώσεις ως θετικούς και αρνητικούς πόλους δευτερευουσών μπαταριών μετάλλου λιθίου.

Στη δεκαετία του 1980, ο Goodnow μελέτησε τη δομή των στρώσεων υλικών καθόδου κοβαλικού λιθίου και οξειδίου του νικελίου λιθίου στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης της Αγγλίας. Τέλος, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι περισσότερο από το μισό λίθιο μπορεί να αφαιρεθεί από το υλικό της καθόδου αναστρέψιμα. Αυτό το αποτέλεσμα οδήγησε τελικά στη γέννηση του The.

Το 1991, η SONY Company κυκλοφόρησε την πρώτη εμπορική μπαταρία λιθίου (γραφίτης ανόδου, ένωση λιθίου καθόδου, υγρό άλας λιθίου ηλεκτροδίων διαλυμένο σε οργανικό διαλύτη). Λόγω των χαρακτηριστικών της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και των διαφορετικών συνθέσεων που μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα χρήσης, οι μπαταρίες λιθίου έχουν διατεθεί στο εμπόριο και χρησιμοποιούνται ευρέως στην αγορά