Eine Lithium-Ionen-Batterie oder Li-Ion-Batterie (abgekürzt als LIB) ist eine Art wiederaufladbare Batterie.Lithium-Ionen-Batterien werden häufig für tragbare Elektronikgeräte und Elektrofahrzeuge verwendet und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit bei Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen.Ein Prototyp einer Li-Ionen-Batterie wurde 1985 von Akira Yoshino entwickelt, basierend auf früheren Forschungen von John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami und Koichi Mizushima in den 1970er bis 1980er Jahren, und dann wurde eine kommerzielle Li-Ionen-Batterie entwickelt von a Das Team von Sony und Asahi Kasei unter der Leitung von Yoshio Nishi im Jahr 1991. Im Jahr 2019 wurde der Nobelpreis für Chemie an Yoshino, Goodenough und Whittingham „für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien“ verliehen.

In den Batterien wandern Lithium-Ionen beim Entladen von der negativen Elektrode durch einen Elektrolyten zur positiven Elektrode und beim Laden wieder zurück.Li-Ionen-Batterien verwenden eine interkalierte Lithiumverbindung als Material an der positiven Elektrode und typischerweise Graphit an der negativen Elektrode.Die Akkus haben eine hohe Energiedichte, keinen Memory-Effekt (anders als LFP-Zellen) und eine geringe Selbstentladung.Sie können jedoch ein Sicherheitsrisiko darstellen, da sie brennbare Elektrolyte enthalten und bei Beschädigung oder falscher Ladung zu Explosionen und Bränden führen können.Samsung war gezwungen, Galaxy Note 7-Handys nach Lithium-Ionen-Bränden zurückzurufen, und es gab mehrere Vorfälle mit Batterien in Boeing 787.

Chemie, Leistung, Kosten und Sicherheitsmerkmale variieren je nach LIB-Typ.Handheld-Elektronik verwendet meist Lithium-Polymer-Batterien (mit einem Polymergel als Elektrolyt) mit Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) als Kathodenmaterial, das eine hohe Energiedichte bietet, aber Sicherheitsrisiken birgt, insbesondere bei Beschädigung.Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), Lithiummanganoxid (LiMn2O4, Li2MnO3 oder LMO) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO2 oder NMC) bieten eine geringere Energiedichte, aber eine längere Lebensdauer und eine geringere Brand- oder Explosionswahrscheinlichkeit.Solche Batterien werden häufig für Elektrowerkzeuge, medizinische Geräte und andere Aufgaben verwendet.NMC und seine Derivate sind in Elektrofahrzeugen weit verbreitet.

Zu den Forschungsbereichen für Lithium-Ionen-Batterien gehören unter anderem die Verlängerung der Lebensdauer, die Erhöhung der Energiedichte, die Verbesserung der Sicherheit, die Reduzierung der Kosten und die Erhöhung der Ladegeschwindigkeit.Auf dem Gebiet der nicht brennbaren Elektrolyte wurde auf der Grundlage der Entflammbarkeit und Flüchtigkeit der in typischen Elektrolyten verwendeten organischen Lösungsmittel geforscht, um die Sicherheit zu erhöhen.Zu den Strategien gehören wässrige Lithium-Ionen-Batterien, keramische Festelektrolyte, Polymerelektrolyte, ionische Flüssigkeiten und stark fluorierte Systeme.

Batterie versus Zelle

Eine Zelle ist eine grundlegende elektrochemische Einheit, die die Elektroden, den Separator und den Elektrolyten enthält.

Eine Batterie oder ein Batteriepaket ist eine Sammlung von Zellen oder Zellbaugruppen mit Gehäuse, elektrischen Anschlüssen und möglicherweise Elektronik zur Steuerung und zum Schutz.

Anoden- und Kathodenelektroden
Bei wiederaufladbaren Zellen bezeichnet der Begriff Anode (oder negative Elektrode) die Elektrode, an der während des Entladezyklus Oxidation stattfindet;die andere Elektrode ist die Kathode (oder positive Elektrode).Während des Ladezyklus wird die positive Elektrode zur Anode und die negative Elektrode zur Kathode.Bei den meisten Lithium-Ionen-Zellen ist die Lithiumoxid-Elektrode die positive Elektrode;Bei Titanat-Lithium-Ionen-Zellen (LTO) ist die Lithiumoxid-Elektrode die negative Elektrode.

Geschichte

Hintergrund

Varta Lithium-Ionen-Batterie, Museum Autovision, Altlußheim, Deutschland
Lithiumbatterien wurden vom britischen Chemiker und Mitempfänger des Nobelpreises für Chemie 2019 M. Stanley Whittingham, jetzt an der Binghamton University, vorgeschlagen, als er in den 1970er Jahren für Exxon arbeitete.Als Elektroden verwendete Whittingham Titan(IV)-Sulfid und Lithiummetall.Diese wiederaufladbare Lithiumbatterie konnte jedoch nie praktikabel gemacht werden.Titandisulfid war eine schlechte Wahl, da es unter vollständig geschlossenen Bedingungen synthetisiert werden muss und auch ziemlich teuer ist (~ 1.000 USD pro Kilogramm für Titandisulfid-Rohmaterial in den 1970er Jahren).An der Luft reagiert Titandisulfid unter Bildung von Schwefelwasserstoffverbindungen, die einen unangenehmen Geruch haben und für die meisten Tiere giftig sind.Aus diesem und anderen Gründen stellte Exxon die Entwicklung der Lithium-Titan-Disulfid-Batterie von Whittingham ein.[28]Batterien mit metallischen Lithiumelektroden stellten Sicherheitsprobleme dar, da Lithiummetall mit Wasser reagiert und brennbares Wasserstoffgas freisetzt.Folglich ging die Forschung dahin, Batterien zu entwickeln, in denen anstelle von metallischem Lithium nur Lithiumverbindungen vorhanden sind, die in der Lage sind, Lithiumionen aufzunehmen und abzugeben.

Die reversible Interkalation in Graphit und die Interkalation in kathodische Oxide wurde 1974–76 von JO Besenhard an der TU München entdeckt.Besenhard schlug seine Anwendung in Lithiumzellen vor.Die Elektrolytzersetzung und die Co-Interkalation von Lösungsmitteln in Graphit waren schwerwiegende frühe Nachteile für die Batterielebensdauer.

Entwicklung

1973 – Adam Heller schlug die Lithium-Thionylchlorid-Batterie vor, die immer noch in implantierten medizinischen Geräten und in Verteidigungssystemen verwendet wird, wo eine Haltbarkeit von mehr als 20 Jahren, eine hohe Energiedichte und/oder Toleranz gegenüber extremen Betriebstemperaturen erforderlich sind.
1977 – Samar Basu demonstrierte die elektrochemische Interkalation von Lithium in Graphit an der University of Pennsylvania.Dies führte bei Bell Labs zur Entwicklung einer funktionsfähigen Lithium-interkalierten Graphitelektrode (LiC6), um eine Alternative zur Lithium-Metall-Elektrodenbatterie bereitzustellen.
1979 – In getrennten Gruppen demonstrierten Ned A. Godshall et al. und kurz darauf John B. Goodenough (Oxford University) und Koichi Mizushima (Tokyo University) eine wiederaufladbare Lithiumzelle mit einer Spannung im 4-V-Bereich unter Verwendung von Lithium Kobaltdioxid (LiCoO2) als positive Elektrode und Lithiummetall als negative Elektrode.Diese Innovation lieferte das positive Elektrodenmaterial, das frühe kommerzielle Lithiumbatterien ermöglichte.LiCoO2 ist ein stabiles positives Elektrodenmaterial, das als Donator von Lithiumionen wirkt, was bedeutet, dass es mit einem anderen negativen Elektrodenmaterial als Lithiummetall verwendet werden kann.Durch die Ermöglichung der Verwendung stabiler und einfach zu handhabender negativer Elektrodenmaterialien ermöglichte LiCoO2 neuartige wiederaufladbare Batteriesysteme.Godshall et al.identifizierten ferner den ähnlichen Wert von Lithium-Übergangsmetalloxiden aus ternären Verbindungen wie den Spinellen LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 und LiFe5O4 (und später Lithium-Kupferoxid- und Lithium-Nickeloxid-Kathodenmaterialien im Jahr 1985)
1980 – Rachid Yazami demonstrierte die reversible elektrochemische Interkalation von Lithium in Graphit und erfand die Lithium-Graphit-Elektrode (Anode).Die damals verfügbaren organischen Elektrolyte würden sich beim Laden mit einer negativen Elektrode aus Graphit zersetzen.Yazami verwendete einen Festelektrolyten, um zu demonstrieren, dass Lithium durch einen elektrochemischen Mechanismus reversibel in Graphit interkaliert werden kann.Ab 2011 war die Graphitelektrode von Yazami die am häufigsten verwendete Elektrode in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien.
Die negative Elektrode hat ihren Ursprung in PAS (Polyacenic Semiconductor Material), das Anfang der 1980er Jahre von Tokio Yamabe und später von Shjzukuni Yata entdeckt wurde.Die Keimzelle dieser Technologie war die Entdeckung leitfähiger Polymere durch Professor Hideki Shirakawa und seine Gruppe, und sie könnte auch als Ausgangspunkt der von Alan MacDiarmid und Alan J. Heeger et al. entwickelten Polyacetylen-Lithium-Ionen-Batterie angesehen werden.
1982 – Godshall et al.erhielten das US-Patent 4,340,652 für die Verwendung von LiCoO2 als Kathoden in Lithiumbatterien, basierend auf Godshalls Ph.D.Dissertation und Veröffentlichungen von 1979.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David und John Goodenough entwickeln einen Mangan-Spinell als kommerziell relevantes geladenes Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien.
1985 – Akira Yoshino baute eine Prototypzelle aus kohlenstoffhaltigem Material zusammen, in die Lithiumionen als eine Elektrode und Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) als die andere eingefügt werden konnten.Dies verbesserte die Sicherheit erheblich.LiCoO2 ermöglichte die Produktion im industriellen Maßstab und ermöglichte die kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie.
1989 – Arumugam Manthiram und John B. Goodenough entdecken die Polyanion-Klasse der Kathoden.Sie zeigten, dass positive Elektroden, die Polyanionen, z. B. Sulfate, enthalten, aufgrund der induktiven Wirkung des Polyanions höhere Spannungen erzeugen als Oxide.Diese Polyanion-Klasse enthält Materialien wie Lithium-Eisen-Phosphat.

< Fortsetzung folgt…>