Bateri litium-ion atau bateri Li-ion (disingkatkan LIB) ialah sejenis bateri boleh dicas semula.Bateri litium-ion biasanya digunakan untuk elektronik mudah alih dan kenderaan elektrik dan semakin popular untuk aplikasi ketenteraan dan aeroangkasa.Bateri Li-ion prototaip telah dibangunkan oleh Akira Yoshino pada tahun 1985, berdasarkan penyelidikan awal oleh John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami dan Koichi Mizushima semasa 1970-an–1980-an, dan kemudian bateri Li-ion komersial telah dibangunkan oleh sebuah Pasukan Sony dan Asahi Kasei diketuai oleh Yoshio Nishi pada tahun 1991. Pada tahun 2019, Hadiah Nobel dalam Kimia telah diberikan kepada Yoshino, Goodenough, dan Whittingham "untuk pembangunan bateri ion litium".

Dalam bateri, ion litium bergerak dari elektrod negatif melalui elektrolit ke elektrod positif semasa nyahcas, dan kembali apabila mengecas.Bateri li-ion menggunakan sebatian litium berinterkalasi sebagai bahan pada elektrod positif dan biasanya grafit pada elektrod negatif.Bateri mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi, tiada kesan memori (selain sel LFP) dan nyahcas diri yang rendah.Walau bagaimanapun, ia boleh menjadi bahaya keselamatan kerana ia mengandungi elektrolit mudah terbakar, dan jika rosak atau tidak dicas dengan betul boleh menyebabkan letupan dan kebakaran.Samsung terpaksa menarik balik telefon bimbit Galaxy Note 7 berikutan kebakaran lithium-ion, dan terdapat beberapa insiden yang melibatkan bateri pada Boeing 787s.

Kimia, prestasi, kos dan ciri keselamatan berbeza mengikut jenis LIB.Elektronik pegang tangan kebanyakannya menggunakan bateri polimer litium (dengan gel polimer sebagai elektrolit) dengan litium kobalt oksida (LiCoO2) sebagai bahan katod, yang menawarkan ketumpatan tenaga yang tinggi, tetapi menimbulkan risiko keselamatan, terutamanya apabila rosak.Litium besi fosfat (LiFePO4), litium mangan oksida (LiMn2O4, Li2MnO3, atau LMO), dan litium nikel mangan kobalt oksida (LiNiMnCoO2 atau NMC) menawarkan ketumpatan tenaga yang lebih rendah tetapi hayatnya lebih lama dan kurang kemungkinan berlaku kebakaran atau letupan.Bateri sedemikian digunakan secara meluas untuk alat elektrik, peralatan perubatan, dan peranan lain.NMC dan derivatifnya digunakan secara meluas dalam kenderaan elektrik.

Bidang penyelidikan untuk bateri litium-ion termasuk memanjangkan hayat, meningkatkan ketumpatan tenaga, meningkatkan keselamatan, mengurangkan kos dan meningkatkan kelajuan pengecasan, antara lain.Penyelidikan telah dijalankan dalam bidang elektrolit tidak mudah terbakar sebagai laluan kepada peningkatan keselamatan berdasarkan kemudahbakaran dan kemeruapan pelarut organik yang digunakan dalam elektrolit biasa.Strategi termasuk bateri litium-ion akueus, elektrolit pepejal seramik, elektrolit polimer, cecair ionik dan sistem yang banyak berfluorinasi.

Bateri berbanding sel

Sel ialah unit elektrokimia asas yang mengandungi elektrod, pemisah, dan elektrolit.

Bateri atau pek bateri ialah koleksi sel atau pemasangan sel, dengan perumah, sambungan elektrik, dan mungkin elektronik untuk kawalan dan perlindungan.

Anod dan elektrod katod
Untuk sel boleh dicas semula, istilah anod (atau elektrod negatif) menandakan elektrod tempat pengoksidaan berlaku semasa kitaran nyahcas;elektrod yang lain ialah katod (atau elektrod positif).Semasa kitaran cas, elektrod positif menjadi anod dan elektrod negatif menjadi katod.Bagi kebanyakan sel litium-ion, elektrod litium-oksida ialah elektrod positif;untuk sel litium-ion titanat (LTO), elektrod litium-oksida ialah elektrod negatif.

Sejarah

Latar belakang

Bateri lithium-ion Varta, Autovision Muzium, Altlussheim, Jerman
Bateri litium dicadangkan oleh ahli kimia British dan penerima bersama hadiah Nobel 2019 untuk kimia M. Stanley Whittingham, kini di Universiti Binghamton, semasa bekerja untuk Exxon pada 1970-an.Whittingham menggunakan titanium(IV) sulfida dan logam litium sebagai elektrod.Walau bagaimanapun, bateri litium boleh dicas semula ini tidak boleh dijadikan praktikal.Titanium disulfida adalah pilihan yang tidak baik, kerana ia perlu disintesis dalam keadaan tertutup sepenuhnya, juga agak mahal (~$1,000 sekilogram untuk bahan mentah titanium disulfida pada tahun 1970-an).Apabila terdedah kepada udara, titanium disulfida bertindak balas untuk membentuk sebatian hidrogen sulfida, yang mempunyai bau yang tidak menyenangkan dan toksik kepada kebanyakan haiwan.Atas sebab ini, dan sebab-sebab lain, Exxon menghentikan pembangunan bateri litium-titanium disulfida Whittingham.[28]Bateri dengan elektrod litium logam menunjukkan isu keselamatan, kerana logam litium bertindak balas dengan air, membebaskan gas hidrogen mudah terbakar.Akibatnya, penyelidikan bergerak untuk membangunkan bateri di mana, bukannya litium logam, hanya sebatian litium hadir, yang mampu menerima dan melepaskan ion litium.

Interkalasi boleh balik dalam grafit dan interkalasi ke dalam oksida katodik ditemui semasa 1974–76 oleh JO Besenhard di TU Munich.Besenhard mencadangkan penggunaannya dalam sel litium.Penguraian elektrolit dan interkalasi bersama pelarut ke dalam grafit merupakan kelemahan awal yang teruk untuk hayat bateri.

Pembangunan

1973 - Adam Heller mencadangkan bateri litium tionyl klorida, masih digunakan dalam peranti perubatan yang diimplan dan dalam sistem pertahanan yang memerlukan jangka hayat lebih daripada 20 tahun, ketumpatan tenaga tinggi dan/atau toleransi untuk suhu operasi yang melampau.
1977 - Samar Basu menunjukkan interkalasi elektrokimia litium dalam grafit di Universiti Pennsylvania.Ini membawa kepada pembangunan elektrod grafit interkalasi litium yang boleh digunakan di Bell Labs (LiC6) untuk menyediakan alternatif kepada bateri elektrod logam litium.
1979 - Bekerja dalam kumpulan berasingan, Ned A. Godshall et al., dan, tidak lama selepas itu, John B. Goodenough (Oxford University) dan Koichi Mizushima (Universiti Tokyo), menunjukkan sel litium boleh dicas semula dengan voltan dalam julat 4 V menggunakan litium kobalt dioksida (LiCoO2) sebagai elektrod positif dan logam litium sebagai elektrod negatif.Inovasi ini menyediakan bahan elektrod positif yang membolehkan bateri litium komersial awal.LiCoO2 ialah bahan elektrod positif yang stabil yang bertindak sebagai penderma ion litium, yang bermaksud ia boleh digunakan dengan bahan elektrod negatif selain daripada logam litium.Dengan membolehkan penggunaan bahan elektrod negatif yang stabil dan mudah dikendalikan, LiCoO2 mendayakan sistem bateri boleh dicas semula baru.Godshall et al.seterusnya mengenal pasti nilai yang sama bagi kompaun terner litium-peralihan logam-oksida seperti spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, dan LiFe5O4 (dan kemudiannya litium-kuprum-oksida dan bahan katod litium-nikel-oksida pada tahun 1985)
1980 - Rachid Yazami menunjukkan interkalasi elektrokimia boleh balik litium dalam grafit, dan mencipta elektrod grafit litium (anod).Elektrolit organik yang ada pada masa itu akan terurai semasa mengecas dengan elektrod negatif grafit.Yazami menggunakan elektrolit pepejal untuk menunjukkan bahawa litium boleh diterbalikkan dalam grafit melalui mekanisme elektrokimia.Sehingga 2011, elektrod grafit Yazami ialah elektrod yang paling biasa digunakan dalam bateri lithium-ion komersial.
Elektrod negatif berasal dari PAS (bahan semikonduktif poliasenik) yang ditemui oleh Tokio Yamabe dan kemudian oleh Shjzukuni Yata pada awal 1980-an.Benih teknologi ini ialah penemuan polimer konduktif oleh Profesor Hideki Shirakawa dan kumpulannya, dan ia juga boleh dilihat sebagai bermula daripada bateri ion litium poliasetilena yang dibangunkan oleh Alan MacDiarmid dan Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.telah dianugerahkan Paten AS 4,340,652 untuk penggunaan LiCoO2 sebagai katod dalam bateri litium, berdasarkan Godshall's Stanford University Ph.D.disertasi dan penerbitan 1979.
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, dan John Goodenough membangunkan spinel mangan sebagai bahan katod bercas yang berkaitan secara komersial untuk bateri lithium-ion.
1985 - Akira Yoshino memasang sel prototaip menggunakan bahan karbon di mana ion litium boleh dimasukkan sebagai satu elektrod, dan litium kobalt oksida (LiCoO2) sebagai yang lain.Ini meningkatkan keselamatan secara mendadak.LiCoO2 mendayakan pengeluaran berskala industri dan membolehkan bateri lithium-ion komersial.
1989 – Arumugam Manthiram dan John B. Goodenough menemui kelas polianion katod.Mereka menunjukkan bahawa elektrod positif yang mengandungi polian, contohnya, sulfat, menghasilkan voltan yang lebih tinggi daripada oksida disebabkan oleh kesan induktif polianion.Kelas polianion ini mengandungi bahan seperti litium besi fosfat.

<bersambung…>