แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่ Li-ion (ย่อมาจาก LIB) เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ชนิดหนึ่งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักใช้สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและยานยนต์ไฟฟ้า และกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นสำหรับการใช้งานด้านการทหารและการบินและอวกาศแบตเตอรี่ Li-ion ต้นแบบได้รับการพัฒนาโดย Akira Yoshino ในปี 1985 จากการวิจัยก่อนหน้านี้โดย John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami และ Koichi Mizushima ในช่วงทศวรรษ 1970-1980 จากนั้นแบตเตอรี่ Li-ion เชิงพาณิชย์ได้รับการพัฒนาโดย ทีม Sony และ Asahi Kasei นำโดย Yoshio Nishi ในปี 1991 ในปี 2019 เขาได้มอบรางวัลโนเบลสาขาเคมีให้กับ Yoshino, Goodenough และ Whittingham "สำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน"

ในแบตเตอรี่ ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนจากอิเล็กโทรดลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังอิเล็กโทรดบวกระหว่างการคายประจุ และย้อนกลับเมื่อชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion ใช้สารประกอบลิเธียมแบบอินเตอร์คาเลตเป็นวัสดุที่อิเล็กโทรดบวก และโดยทั่วไปแล้วจะเป็นกราไฟต์ที่อิเล็กโทรดลบแบตเตอรี่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ไม่มีเอฟเฟกต์หน่วยความจำ (นอกเหนือจากเซลล์ LFP) และการคายประจุในตัวเองต่ำอย่างไรก็ตาม อาจเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยเนื่องจากมีอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ และหากได้รับความเสียหายหรือชาร์จไม่ถูกต้อง อาจนำไปสู่การระเบิดและไฟไหม้ได้ซัมซุงถูกบังคับให้เรียกคืนโทรศัพท์มือถือ Galaxy Note 7 หลังจากเกิดเพลิงไหม้ลิเธียมไอออน และมีเหตุการณ์หลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ในเครื่องบินโบอิ้ง 787

ลักษณะทางเคมี ประสิทธิภาพ ต้นทุน และความปลอดภัยแตกต่างกันไปตามประเภทของ LIBอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ (ที่มีเจลโพลีเมอร์เป็นอิเล็กโทรไลต์) ที่มีลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2) เป็นวัสดุแคโทดซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูง แต่มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเกิดความเสียหายลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4), ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn2O4, Li2MnO3 หรือ LMO) และลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (LiNiMnCoO2 หรือ NMC) ให้ความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า แต่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าและมีโอกาสเกิดไฟไหม้หรือระเบิดน้อยกว่าแบตเตอรี่ดังกล่าวใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเครื่องมือไฟฟ้า อุปกรณ์ทางการแพทย์ และบทบาทอื่นๆNMC และอนุพันธ์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้า

พื้นที่การวิจัยสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรวมถึงการยืดอายุการใช้งาน การเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน การปรับปรุงความปลอดภัย ลดต้นทุน และเพิ่มความเร็วในการชาร์จ และอื่นๆการวิจัยกำลังดำเนินการในพื้นที่ของอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟเพื่อเป็นแนวทางในการเพิ่มความปลอดภัยโดยพิจารณาจากความสามารถในการติดไฟและความผันผวนของตัวทำละลายอินทรีย์ที่ใช้ในอิเล็กโทรไลต์ทั่วไปกลยุทธ์ประกอบด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบน้ำ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเซรามิก อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ ของเหลวไอออนิก และระบบที่มีฟลูออรีนหนัก

แบตเตอรี่กับเซลล์

เซลล์เป็นหน่วยไฟฟ้าเคมีพื้นฐานที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรด ตัวแยก และอิเล็กโทรไลต์

แบตเตอรี่หรือชุดแบตเตอรี่คือชุดของเซลล์หรือส่วนประกอบของเซลล์ พร้อมด้วยตัวเรือน การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า และอาจเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการควบคุมและการป้องกัน

อิเล็กโทรดแอโนดและแคโทด
สำหรับเซลล์แบบชาร์จไฟได้ คำว่าขั้วบวก (หรือขั้วลบ) กำหนดขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันระหว่างรอบการคายประจุอิเล็กโทรดอีกขั้วหนึ่งคือแคโทด (หรืออิเล็กโทรดบวก)ในระหว่างรอบการชาร์จ อิเล็กโทรดบวกจะกลายเป็นแอโนด และอิเล็กโทรดลบจะกลายเป็นแคโทดสำหรับเซลล์ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ อิเล็กโทรดลิเธียมออกไซด์เป็นอิเล็กโทรดบวกสำหรับเซลล์ไททาเนตลิเธียมไอออน (LTO) อิเล็กโทรดลิเธียมออกไซด์คืออิเล็กโทรดลบ

ประวัติศาสตร์

พื้นหลัง

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Varta, พิพิธภัณฑ์ Autovision, Altlussheim, Germany
แบตเตอรี่ลิเธียมได้รับการเสนอโดยนักเคมีชาวอังกฤษและผู้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2019 เอ็ม สแตนลีย์ วิตติงแฮม ปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยบิงแฮมตัน ขณะที่ทำงานให้กับบริษัทเอ็กซอนในปี 1970Whittingham ใช้ไททาเนียม (IV) ซัลไฟด์และโลหะลิเธียมเป็นอิเล็กโทรดอย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้นี้ไม่สามารถทำได้จริงไททาเนียมไดซัลไฟด์เป็นทางเลือกที่ไม่ดี เนื่องจากต้องสังเคราะห์ภายใต้สภาวะที่ปิดสนิท และมีราคาค่อนข้างสูง (ประมาณ 1,000 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมสำหรับวัตถุดิบไททาเนียมไดซัลไฟด์ในปี 1970)เมื่อสัมผัสกับอากาศ ไทเทเนียมไดซัลไฟด์จะทำปฏิกิริยากับสารประกอบไฮโดรเจนซัลไฟด์ ซึ่งมีกลิ่นไม่พึงประสงค์และเป็นพิษต่อสัตว์ส่วนใหญ่ด้วยเหตุนี้และเหตุผลอื่นๆ Exxon จึงยุติการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียม-ไททาเนียมไดซัลไฟด์ของ Whittingham [28]แบตเตอรี่ที่มีอิเล็กโทรดลิเธียมที่เป็นโลหะทำให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัย เนื่องจากโลหะลิเธียมทำปฏิกิริยากับน้ำ และปล่อยก๊าซไฮโดรเจนที่ติดไฟได้ออกมาด้วยเหตุนี้ การวิจัยจึงย้ายไปพัฒนาแบตเตอรี่ซึ่งแทนที่จะใช้ลิเธียมโลหะ มีเพียงสารประกอบลิเธียมเท่านั้นที่สามารถรับและปล่อยลิเธียมไอออนได้

การแทรกสอดแบบพลิกกลับได้ในกราไฟต์และการแทรกสอดเข้าไปในแคโทดออกไซด์ถูกค้นพบระหว่างปี 1974–1976 โดย JO Besenhard ที่ TU มิวนิกBesenhard เสนอการประยุกต์ใช้ในเซลล์ลิเธียมการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และการแทรกซึมร่วมของตัวทำละลายลงในกราไฟท์เป็นข้อเสียอย่างมากในช่วงเริ่มต้นของอายุการใช้งานแบตเตอรี่

การพัฒนา

พ.ศ. 2516 (ค.ศ. 1973) – อดัม เฮลเลอร์ เสนอแบตเตอรี่ลิเธียมไทโอนิลคลอไรด์ ซึ่งยังคงใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ฝังไว้และในระบบป้องกันที่ต้องการอายุการเก็บรักษานานกว่า 20 ปี ความหนาแน่นของพลังงานสูง และ/หรือความทนทานต่ออุณหภูมิในการทำงานที่สูงเกินไป
พ.ศ. 2520 (ค.ศ. 1977) – ซามาร์ บาซู สาธิตการแทรกสอดทางเคมีไฟฟ้าของลิเธียมในกราไฟต์ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียสิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาอิเล็กโทรดกราไฟท์ที่มีการแทรกสอดลิเธียมที่ใช้การได้ที่ Bell Labs (LiC6) เพื่อเป็นทางเลือกแทนแบตเตอรี่อิเล็กโทรดลิเธียมเมทัล
พ.ศ. 2522 (ค.ศ. 1979) – ทำงานในกลุ่มแยกกัน Ned A. Godshall et al. และหลังจากนั้นไม่นาน John B. Goodenough (มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด) และ Koichi Mizushima (มหาวิทยาลัยโตเกียว) ได้สาธิตเซลล์ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้ที่มีแรงดันไฟฟ้าในช่วง 4 V โดยใช้ลิเธียม โคบอลต์ไดออกไซด์ (LiCoO2) เป็นอิเล็กโทรดบวกและโลหะลิเธียมเป็นอิเล็กโทรดลบนวัตกรรมนี้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกที่เปิดใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงพาณิชย์ในยุคแรกๆLiCoO2 เป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวกที่เสถียรซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคลิเธียมไอออน ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้กับวัสดุอิเล็กโทรดลบอื่นที่ไม่ใช่โลหะลิเธียมด้วยการใช้วัสดุอิเล็กโทรดลบที่มีความเสถียรและง่ายต่อการจัดการ LiCoO2 จึงเปิดใช้งานระบบแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟใหม่ได้Godshall และคณะระบุค่าที่คล้ายคลึงกันของลิเธียม-ทรานซิชันเมทัล-ออกไซด์ที่เป็นสารประกอบไตรภาคีเพิ่มเติม เช่น สปิเนล LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 และ LiFe5O4 (และต่อมาคือ วัสดุลิเธียม-คอปเปอร์-ออกไซด์ และลิเธียม-นิกเกิล-ออกไซด์ แคโทดในปี 1985)
พ.ศ. 2523 (ค.ศ. 1980) – Rachid Yazami แสดงให้เห็นถึงการแทรกสอดทางไฟฟ้าเคมีแบบย้อนกลับของลิเธียมในกราไฟท์ และคิดค้นอิเล็กโทรดลิเธียมกราไฟท์ (แอโนด)อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่มีอยู่ในเวลานั้นจะสลายตัวในระหว่างการชาร์จด้วยขั้วลบกราไฟท์Yazami ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเพื่อแสดงให้เห็นว่าลิเธียมสามารถแทรกสอดแบบย้อนกลับได้ในกราไฟต์ผ่านกลไกทางไฟฟ้าเคมีในปี 2011 อิเล็กโทรดกราไฟต์ของ Yazami เป็นอิเล็กโทรดที่ใช้บ่อยที่สุดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์
อิเล็กโทรดลบมีต้นกำเนิดมาจาก PAS (วัสดุเซมิคอนดักเตอร์โพลีอะซินิก) ที่ Tokio Yamabe ค้นพบและต่อมาโดย Shjzukuni Yata ในต้นทศวรรษ 1980เมล็ดพันธุ์ของเทคโนโลยีนี้คือการค้นพบพอลิเมอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าโดยศาสตราจารย์ฮิเดกิ ชิราคาวะและกลุ่มของเขา และยังสามารถเห็นได้ว่าเป็นการเริ่มต้นจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโพลีอะเซทิลีนที่พัฒนาโดย Alan MacDiarmid และ Alan J. Heeger et al
1982 – Godshall และคณะได้รับสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 4,340,652 รายการสำหรับการใช้ LiCoO2 เป็นแคโทดในแบตเตอรี่ลิเธียม โดยอ้างอิงจากปริญญาเอกของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดแห่ง Godshallวิทยานิพนธ์และสิ่งพิมพ์ปี 2522
1983 - Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David และ John Goodenough พัฒนาสปิเนลแมงกานีสเป็นวัสดุแคโทดที่มีประจุไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องในเชิงพาณิชย์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
พ.ศ. 2528 (ค.ศ. 1985) – อากิระ โยชิโนะ ประกอบเซลล์ต้นแบบโดยใช้วัสดุคาร์บอนซึ่งสามารถแทรกลิเธียมไอออนเป็นอิเล็กโทรดหนึ่ง และลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2) เป็นเซลล์อื่นนี้ปรับปรุงความปลอดภัยอย่างมากLiCoO2 เปิดใช้งานการผลิตในระดับอุตสาหกรรมและเปิดใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์
1989 - Arumugam Manthiram และ John B. Goodenough ค้นพบคลาสแคโทดโพลีเอเนียนพวกเขาแสดงให้เห็นว่าอิเล็กโทรดบวกที่มีโพลิแอนไอออน เช่น ซัลเฟต ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าออกไซด์เนื่องจากเอฟเฟกต์อุปนัยของโพลิแอนไอออนคลาสโพลิแอนเนียนนี้ประกอบด้วยวัสดุ เช่น ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต

< มีต่อ…>