Dio 1: Porijeklo i rano istraživanje tehnologije
1. Prototip litijske primarne baterije
Pedesetih godina prošlog stoljeća Ministarstvo obrane SAD-a i NASA započeli su istraživanje baterija visoke-energetske-gustoće koristeći metalne fluoride kao katodu i metalni litij kao anodu. Međutim, stvaranje litijevog dendrita dovelo je do nestabilnosti performansi. Ključni konceptualni napredak dogodio se 1962. kada je tim iz Lockheeda predložio ne-vodeni sustav litijeva elektrolita, postavljajući temelje za budući razvoj.
2. Proboj u litij-ionskim punjivim baterijama
Godine 1972. Stanley Whittingham iz ExxonMobila razvio je prvu funkcionalnu punjivu litijevu bateriju. Koristio je slojeviti titanijev disulfid (TiS₂) kao katodu i metalni litij kao anodu, radeći na oko 2,4 V-što je znatno više od suvremenih nikal-kadmijevih baterija. Međutim, litijeva metalna anoda bila je sklona stvaranju dendrita tijekom ciklusa, stvarajući sigurnosni rizik koji je sprječavao komercijalizaciju.
3. Inovacije u katodnim materijalima
Veliki skok dogodio se 1980. s otkrićem tima Johna B. Goodenougha litij kobalt oksida (LiCoO₂) kao katodnog materijala. Ovaj materijal omogućio je napon ćelije od 4 V i otprilike udvostručio gustoću energije. Iako je ovo otkriće postavilo osnovu za moderne baterije visoke-energetske-gustoće, ono se i dalje oslanjalo na litijevu metalnu anodu, ostavljajući sigurnosne probleme neriješenim.
Dio 2: Ključna inovacija
1 Zamjena materijala anode
Kritični korak prema sigurnim punjivim baterijama bila je zamjena metalnog litija. Godine 1982. Agarwal i Selman na Institutu za tehnologiju u Illinoisu otkrili su interkalaciju litijevih iona u grafit. Nadovezujući se na to, istraživači u Bell Labsu stvorili su prvu litij-ionsku bateriju koristeći grafitnu anodu, koja je suzbijala rast dendrita. Godine 1985. Akira Yoshino sastavio je praktični prototip koristeći naftni koks (ugljični materijal sličan grafitu) kao anodu i litij kobalt oksid kao katodu. Ta je ćelija omogućila stabilno kretanje litijevih iona između elektroda, a Yoshino je službeno skovao izraz "litij-ionska baterija."
2. Proboj u elektrolitima
Posljednja velika prepreka-životnog ciklusa-prevladana je 1987. kada je tim tvrtke Sony otkrio da elektrolit na bazi etilen karbonata (EC)-omogućuje stvaranje stabilnog filma međufaze čvrstog elektrolita (SEI) na površini grafitne anode. Ovaj zaštitni sloj sprječava kontinuiranu razgradnju elektrolita. Kombinirajući ove inovacije, Sony je komercijalizirao prvu svjetsku litij-ionsku bateriju 1991. Sadržala je katodu od litij kobalt oksida i grafitnu anodu, a njezino brzo usvajanje u kamkorderima i mobilnim telefonima otvorilo je eru tanke, prijenosne elektronike.
Slijedi tablica:
3,Vremenski okvir razvoja litij-ionske baterije:
| godina | događaj | Ključno osoblje/tvrtka | značaj |
|---|---|---|---|
| 1912 | Predložen je koncept litij metalnih baterija. | Gilbert N. Lewis | Najranije istraživanje o izvedivosti litijevih baterija |
| 1970S | Komercijalizacija primarnih litijevih baterija (za jednokratnu upotrebu) | Exxon, Moli Energy | Li/MnO₂, Li/SOCl₂, itd., počeli su se koristiti u velikoj mjeri. |
| 1980 | Predložen je koncept "baterije stolice za ljuljanje": litijevi ioni stalno se ubacuju i izvlače između pozitivne i negativne elektrode. | Rachid Yazami (litijevi ioni su interkalirani u grafit negativne elektrode) | Postavljanje teoretskih temelja za moderne litij{0}}ionske baterije |
| 1983 | Punjive i praznive litij-ionske grafitne anode postižu | Rachid Yazami | Riješio problem metalnog dendrita litija |
| 1985 | John B. Goodenough predložio je slojevitu oksidnu katodu (LiCoO₂). | John B. Goodenough | Pojavljuju se katodni materijali visokog-napona (~4V), velikog-kapaciteta |
| 1989 | Postignut prvi prototip LiCoO₂/grafitne litij{0}}ionske baterije | Akira Yoshino | Prototip doista sigurne i punjive litij-ionske baterije |
| 1991 | Sony lansira prvu komercijalno dostupnu litij{0}}ionsku bateriju na svijetu. | Sony + Asahi Kasei | S kapacitetom od 800 mAh i naponom od 3,6 V ugrađen je u Sony CCD-TR1 kamkorder, otvarajući novu eru potrošačke elektronike. |
| 1996 | Izum katodnog materijala litij željezo fosfat (LiFePO₄). | Tim Johna B. Goodenougha | Sigurniji i dulji životni vijek, ali s nižim naponom (3,2 V). |
| 1997 | Komercijalizacija litij-polimerskih baterija | Bellcore | Koloidni elektroliti mogu se napraviti u ultra-tanke meke pakete. |
| 2001 | Ternarni materijali (LiNiCoMnO₂ / NCM) započinju masovnu proizvodnju | Više tvrtki | Veća gustoća energije, postupno zamjenjujući litij kobalt oksid |
| 2008 | Tesla Roadster je prvi koji koristi 18650 litij-ionske baterije (Panasonic) u velikim količinama. | Panasonic + Tesla | Ulazak u eru električnih vozila (odjeljak 6876, 18650) |
| 2011 | Uspješno razvijen -ternarni sloj nikla (NCM811). | Više tvrtki | Gustoća energije prelazi 250Wh/kg |
| 2015 | Silikonske-ugljične anode započinju male{1}}primjene | Amprius i sur. | The negative electrode capacity has been increased from 360mAh/g to >420 mAh/g. |
| 2019 | John B. Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino, Nobelova nagrada za kemiju | - | Službeno priznanje doprinosa litij-ionskih baterija čovječanstvu |
| 2020 | CATL objavljuje modul{0}}Besplatnu CTP tehnologiju | CATL | Stopa iskorištenja volumena povećana je za 15-20%, trošak smanjen |
| 2021 | BYD Blade Battery (ultra{0}}dugi litij željezo fosfat) ulazi u masovnu proizvodnju | BYD | Ultra-duge baterijske ćelije duljine veće od 1 m nude sigurnost i visoku volumetrijsku gustoću energije. |
| 2022 | Prvo vozilo koje ima polu{0}}solid{1}}bateriju (NIO ET7 150kWh paket) | welion | Gustoća energije 360 Wh/kg, prijelaz u potpuno-kruto stanje |
| 2023 | Objavljena Kirin baterija (CATL) + Solidified baterija (GAC). | CATL / GAC | Gustoće energije monomera su 255Wh/kg odnosno 400Wh/kg (skrućeni u laboratoriju). |
| 2024 | Prva godina masovne proizvodnje polu-state/polu{1}}solid{2}}baterija: SAIC Smart Battery L6 (Qingtao), GAC (na bazi sulfida-) itd. | Više tvrtki | Gustoća energije 350-400Wh/kg, 600+km domet nakon 10 minuta punjenja. |
| 2025 | Nekoliko čvrstih-baterija klase 500Wh/kg objavilo je planove masovne proizvodnje za 2026.-2027. | Toyota, CATL, BYD, QuantumScape itd. | S dometom od 1000-1500 km, jedno-ćelijske baterije postale su stvarnost, otvarajući "post-litij-ionsku" eru za litij-ionske baterije. |
4,Tablica evolucije gustoće energije:
| godina | Glavni katodni materijali | Gustoća energije (Wh/kg) | Reprezentativni modeli/proizvodi |
|---|---|---|---|
| 1991 | LiCoO₂ | 90-120 | Sony kamera |
| 2008 | LiCoO₂/NCA | 180-220 | Tesla Roadster |
| 2018 | NCM523/622 | 220-260 | Tesla Model 3 |
| 2021 | NCM811/Visoki nikal | 260-300 | ET7, L9 |
| 2023 | Visok sadržaj nikla + silicij-ugljik | 300-350 | Baterija Kirin, Tesla 4680 |
| 2025 | Polu{0}}čvrsto/čvrsto | 350-500+ | Zhiji L6, Toyota solid-prototip vozila |
