Lityum-iyon pil veya Li-iyon pil (LIB olarak kısaltılır), bir tür şarj edilebilir pildir.Lityum iyon piller, taşınabilir elektronikler ve elektrikli araçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır ve askeri ve havacılık uygulamalarında popülaritesi artmaktadır.Akira Yoshino tarafından 1985 yılında, John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami ve Koichi Mizushima tarafından 1970'ler ve 1980'lerde yapılan daha önceki araştırmalara dayalı olarak bir prototip Li-ion pil geliştirildi ve daha sonra ticari bir Li-ion pil geliştirildi. 1991 yılında Yoshio Nishi liderliğindeki Sony ve Asahi Kasei ekibi. 2019 yılında Nobel Kimya Ödülü, “lityum iyon pillerin geliştirilmesi için” Yoshino, Goodenough ve Whittingham'a verildi.

Pillerde, lityum iyonları deşarj sırasında negatif elektrottan bir elektrolit yoluyla pozitif elektrota ve şarj olurken geri hareket eder.Li-ion piller, pozitif elektrotta malzeme olarak interkalasyonlu bir lityum bileşiği ve tipik olarak negatif elektrotta grafit kullanır.Piller yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, hafıza etkisi yoktur (LFP hücreleri dışında) ve düşük kendi kendine deşarj olur.Ancak yanıcı elektrolitler içerdiklerinden güvenlik tehlikesi oluşturabilirler ve hasar görmeleri veya yanlış şarj edilmeleri patlamalara ve yangınlara neden olabilir.Samsung, lityum iyon yangınlarının ardından Galaxy Note 7 telefonlarını geri çağırmak zorunda kaldı ve Boeing 787'lerde pillerle ilgili birkaç olay yaşandı.

Kimya, performans, maliyet ve güvenlik özellikleri LIB türleri arasında farklılık gösterir.El elektroniği, katot malzemesi olarak lityum kobalt oksitli (LiCoO2) çoğunlukla lityum polimer piller (elektrolit olarak bir polimer jel ile) kullanır, bu piller yüksek enerji yoğunluğu sunar, ancak özellikle hasar gördüğünde güvenlik riskleri sunar.Lityum demir fosfat (LiFePO4), lityum manganez oksit (LiMn2O4, Li2MnO3 veya LMO) ve lityum nikel manganez kobalt oksit (LiNiMnCoO2 veya NMC) daha düşük enerji yoğunluğu, ancak daha uzun ömür ve daha az yangın veya patlama olasılığı sunar.Bu tür piller, elektrikli aletler, tıbbi ekipman ve diğer roller için yaygın olarak kullanılmaktadır.NMC ve türevleri elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Lityum iyon piller için araştırma alanları, diğerlerinin yanı sıra, kullanım ömrünün uzatılması, enerji yoğunluğunun artırılması, güvenliğin iyileştirilmesi, maliyetin düşürülmesi ve şarj hızının artırılmasını içerir.Tipik elektrolitte kullanılan organik çözücülerin yanıcılığı ve uçuculuğuna dayalı olarak artan güvenliğe giden bir yol olarak yanıcı olmayan elektrolitler alanında araştırmalar devam etmektedir.Stratejiler arasında sulu lityum iyon piller, seramik katı elektrolitler, polimer elektrolitler, iyonik sıvılar ve yoğun florlu sistemler bulunur.

Pile karşı hücre

Bir hücre, elektrotları, ayırıcıyı ve elektroliti içeren temel bir elektrokimyasal birimdir.

Bir pil veya pil takımı, kontrol ve koruma için muhafaza, elektrik bağlantıları ve muhtemelen elektronik aksamları olan bir hücre veya hücre grubu topluluğudur.

Anot ve katot elektrotları
Şarj edilebilir hücreler için, anot (veya negatif elektrot) terimi, deşarj döngüsü sırasında oksidasyonun meydana geldiği elektrotu belirtir;diğer elektrot katottur (veya pozitif elektrot).Şarj döngüsü sırasında, pozitif elektrot anot, negatif elektrot ise katot olur.Çoğu lityum iyon hücre için, lityum oksit elektrot pozitif elektrottur;titanat lityum iyon hücreler (LTO) için lityum oksit elektrot, negatif elektrottur.

Tarih

Arka fon

Varta lityum iyon pil, Museum Autovision, Altlussheim, Almanya
Lityum piller, 1970'lerde Exxon için çalışırken, şu anda Binghamton Üniversitesi'nde olan İngiliz kimyager ve 2019 Nobel kimya ödülünün eş alıcısı M. Stanley Whittingham tarafından önerildi.Whittingham elektrot olarak titanyum(IV) sülfür ve lityum metal kullanmıştır.Ancak bu şarj edilebilir lityum pil hiçbir zaman pratik hale getirilemezdi.Titanyum disülfür kötü bir seçimdi, çünkü tamamen kapalı koşullar altında sentezlenmesi gerekiyordu ve aynı zamanda oldukça pahalıydı (1970'lerde titanyum disülfür hammaddesi için kilogram başına ~1000$).Havaya maruz kaldığında titanyum disülfür, hoş olmayan bir kokuya sahip olan ve çoğu hayvan için toksik olan hidrojen sülfür bileşikleri oluşturmak üzere reaksiyona girer.Bu ve diğer nedenlerle Exxon, Whittingham'ın lityum-titanyum disülfid pilinin geliştirilmesini durdurdu.[28]Lityum metal su ile reaksiyona girerek yanıcı hidrojen gazı açığa çıkardığından, metalik lityum elektrotlu piller güvenlik sorunları ortaya çıkardı.Sonuç olarak, araştırmalar, metalik lityum yerine yalnızca lityum bileşiklerinin bulunduğu ve lityum iyonlarını kabul etme ve salma yeteneğine sahip pilleri geliştirmeye yöneldi.

Grafitte tersinir interkalasyon ve katodik oksitlere interkalasyon 1974-76 yıllarında TU Münih'te JO Besenhard tarafından keşfedildi.Besenhard, uygulamasını lityum hücrelerde önerdi.Elektrolit ayrışması ve grafite solventin birlikte karışması, pil ömrü için ciddi erken dezavantajlardı.

Gelişim

1973 – Adam Heller, hala implante edilmiş tıbbi cihazlarda ve 20 yıldan fazla raf ömrü, yüksek enerji yoğunluğu ve/veya aşırı çalışma sıcaklıklarına toleransın gerekli olduğu savunma sistemlerinde kullanılan lityum tiyonil klorür pili önerdi.
1977 - Samar Basu, Pennsylvania Üniversitesi'nde grafitte lityumun elektrokimyasal interkalasyonunu gösterdi.Bu, lityum metal elektrot piline bir alternatif sağlamak için Bell Laboratuarlarında (LiC6) uygulanabilir bir lityum interkalasyonlu grafit elektrotun geliştirilmesine yol açtı.
1979 – Ayrı gruplar halinde çalışan Ned A. Godshall ve diğerleri ve kısa bir süre sonra John B. Goodenough (Oxford Üniversitesi) ve Koichi Mizushima (Tokyo Üniversitesi), lityum kullanarak 4 V aralığında voltajlı şarj edilebilir bir lityum hücre gösterdiler. pozitif elektrot olarak kobalt dioksit (LiCoO2) ve negatif elektrot olarak lityum metal.Bu yenilik, erken dönem ticari lityum pilleri etkinleştiren pozitif elektrot malzemesini sağladı.LiCoO2, lityum iyonlarının donörü olarak işlev gören kararlı bir pozitif elektrot malzemesidir; bu, lityum metal dışında bir negatif elektrot malzemesiyle kullanılabileceği anlamına gelir.LiCoO2, stabil ve kullanımı kolay negatif elektrot malzemelerinin kullanımını sağlayarak yeni şarj edilebilir pil sistemlerini mümkün kıldı.Godshall et al.ayrıca, spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 ve LiFe5O4 (ve daha sonra 1985'te lityum-bakır-oksit ve lityum-nikel-oksit katot malzemeleri) gibi üçlü bileşik lityum-geçiş metal-oksitlerinin benzer değerini tanımladı.
1980 – Rachid Yazami, lityumun grafitte tersinir elektrokimyasal interkalasyonunu gösterdi ve lityum grafit elektrotu (anot) icat etti.O sırada mevcut olan organik elektrolitler, bir grafit negatif elektrotla şarj sırasında ayrışır.Yazami, lityumun elektrokimyasal bir mekanizma yoluyla grafit içinde tersinir olarak araya girilebileceğini göstermek için katı bir elektrolit kullandı.2011 itibariyle Yazami'nin grafit elektrotu, ticari lityum iyon pillerde en yaygın kullanılan elektrottu.
Negatif elektrotun kökenleri, 1980'lerin başında Tokio Yamabe ve daha sonra Shjzukuni Yata tarafından keşfedilen PAS'a (poliasenik yarı iletken malzeme) dayanmaktadır.Bu teknolojinin tohumu, Profesör Hideki Shirakawa ve grubu tarafından iletken polimerlerin keşfiydi ve Alan MacDiarmid ve Alan J. Heeger ve diğerleri tarafından geliştirilen poliasetilen lityum iyon pilden başladığı da görülebilir.
1982 – Godshall ve diğerleri.Godshall's Stanford Üniversitesi Ph.D.'ye dayalı olarak LiCoO2'nin lityum pillerde katot olarak kullanımı için ABD Patenti 4,340,652 ile ödüllendirildiler.tez ve 1979 yayınları.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David ve John Goodenough, lityum iyon piller için ticari olarak ilgili yüklü bir katot malzemesi olarak bir manganez spinel geliştirdi.
1985 – Akira Yoshino, bir elektrot olarak lityum iyonlarının ve diğer elektrot olarak lityum kobalt oksidin (LiCoO2) yerleştirilebileceği karbonlu malzeme kullanarak bir prototip hücre kurdu.Bu, güvenliği önemli ölçüde artırdı.LiCoO2, endüstriyel ölçekte üretimi ve ticari lityum iyon pili etkinleştirdi.
1989 – Arumugam Manthiram ve John B. Goodenough, katotların polianyon sınıfını keşfetti.Polianyonlar, örneğin sülfatlar içeren pozitif elektrotların, polianyonun endüktif etkisinden dolayı oksitlerden daha yüksek voltaj ürettiğini gösterdiler.Bu polianyon sınıfı, lityum demir fosfat gibi malzemeler içerir.

< devam edecek…>