Литий-ионный аккумулятор

«Литий-ионный» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о металлическом элементе, см. Литий .

«Лион» перенаправляется сюда. Не путать со Львом .

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор 3,6 В от Nokia 3310. мобильного телефона
Удельная энергия	100–265 Вт⋅ч/кг (360–950 кДж/кг)
Плотность энергии	250–693 Вт⋅ч/л (900–2490 Дж/см) 3 )
Удельная мощность	в. 250–340 Вт/кг
Charge/discharge efficiency	80–90%
Energy/consumer-price	7.6 Wh/US$ (US$132/kWh)
Self-discharge rate	0.35% to 2.5% per month depending on state of charge
Cycle durability	400–1,200 cycles
Nominal cell voltage	3.6 / 3.7 / 3.8 / 3.85 V, LiFePO4 3.2 V, Li4Ti5O12 2.3 V

Литий -ионный или литий-ионный аккумулятор — это тип перезаряжаемой батареи , в которой используется обратимая интеркаляция лития. ⁺ ионы в твердые тела с электронной проводимостью для хранения энергии. По сравнению с другими коммерческими аккумуляторами , литий-ионные аккумуляторы характеризуются более высокой удельной энергией , более высокой плотностью энергии , более высокой энергоэффективностью , более длительным циклическим и календарным сроком службы . Также следует отметить резкое улучшение свойств литий-ионных аккумуляторов после их появления на рынке в 1991 году: за следующие 30 лет их объемная плотность энергии увеличилась в три раза, а стоимость снизилась в десять раз.

Существует как минимум 12 различных химических составов литий-ионных батарей; см. « Список типов батарей ».

Изобретение и коммерциализация литий-ионных аккумуляторов, возможно, оказали одно из величайших последствий среди всех технологий в истории человечества . as recognized by the 2019 Nobel Prize in Chemistry.More specifically, Li-ion batteries enabled portable consumer electronics, laptop computers, cellular phones, and electric cars, or what has been called the e-mobility revolution. Он также находит широкое применение в сетевых хранилищах энергии , а также в военных и аэрокосмических приложениях.

Lithium-ion cells can be manufactured to optimize energy or power density. Handheld electronics mostly use lithium polymer batteries (with a polymer gel as an electrolyte), a lithium cobalt oxide (LiCoO
₂) cathode material, and a graphite anode, which together offer high energy density. Lithium iron phosphate (LiFePO
₄), lithium manganese oxide (LiMn
₂O
₄ spinel, or Li
₂MnO
₃-based lithium-rich layered materials, LMR-NMC), and lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNiMnCoO
₂ or NMC) may offer longer life and a higher discharge rate. NMC and its derivatives are widely used in the electrification of transport, one of the main technologies (combined with renewable energy) for reducing greenhouse gas emissions from vehicles.

M. Stanley Whittingham conceived intercalation electrodes in the 1970s and created the first rechargeable lithium-ion battery, based on a titanium disulfide cathode and a lithium-aluminum anode, although it suffered from safety problems and was never commercialized. John Goodenough expanded on this work in 1980 by using lithium cobalt oxide as a cathode. The first prototype of the modern Li-ion battery, which uses a carbonaceous anode rather than lithium metal, was developed by Akira Yoshino in 1985 and commercialized by a Sony and Asahi Kasei team led by Yoshio Nishi in 1991. M. Stanley Whittingham, John Goodenough, and Akira Yoshino were awarded the 2019 Nobel Prize in Chemistry for their contributions to the development of lithium-ion batteries.

Lithium-ion batteries can be a safety hazard if not properly engineered and manufactured because they have flammable electrolytes that, if damaged or incorrectly charged, can lead to explosions and fires. Much progress has been made in the development and manufacturing of safe lithium-ion batteries. Lithium-ion solid-state batteries are being developed to eliminate the flammable electrolyte. Improperly recycled batteries can create toxic waste, especially from toxic metals, and are at risk of fire. Moreover, both lithium and other key strategic minerals used in batteries have significant issues at extraction, with lithium being water intensive in often arid regions and other minerals used in some Li-ion chemistries potentially being conflict minerals such as cobalt. Both environmental issues have encouraged some researchers to improve mineral efficiency and find alternatives such as Lithium iron phosphate lithium-ion chemistries or non-lithium-based battery chemistries like iron-air batteries.

Research areas for lithium-ion batteries include extending lifetime, increasing energy density, improving safety, reducing cost, and increasing charging speed, among others. Research has been under way in the area of non-flammable electrolytes as a pathway to increased safety based on the flammability and volatility of the organic solvents used in the typical electrolyte. Strategies include aqueous lithium-ion batteries, ceramic solid electrolytes, polymer electrolytes, ionic liquids, and heavily fluorinated systems.

History

Main article: History of the lithium-ion battery

Research on rechargeable Li-ion batteries dates to the 1960s; one of the earliest examples is a CuF
₂/Li battery developed by NASA in 1965. The breakthrough that produced the earliest form of the modern Li-ion battery was made by British chemist M. Stanley Whittingham in 1974, who first used titanium disulfide (TiS
₂) as a cathode material, which has a layered structure that can take in lithium ions without significant changes to its crystal structure. Exxon tried to commercialize this battery in the late 1970s, but found the synthesis expensive and complex, as TiS
₂ is sensitive to moisture and releases toxic H
₂S gas on contact with water. More prohibitively, the batteries were also prone to spontaneously catch fire due to the presence of metallic lithium in the cells. For this, and other reasons, Exxon discontinued the development of Whittingham's lithium-titanium disulfide battery.

In 1980, working in separate groups Ned A. Godshall et al., and, shortly thereafter, Koichi Mizushima and John B. Goodenough, after testing a range of alternative materials, replaced TiS
₂ with lithium cobalt oxide (LiCoO
₂, or LCO), which has a similar layered structure but offers a higher voltage and is much more stable in air. This material would later be used in the first commercial Li-ion battery, although it did not, on its own, resolve the persistent issue of flammability.

These early attempts to develop rechargeable Li-ion batteries used lithium metal anodes, which were ultimately abandoned due to safety concerns, as lithium metal is unstable and prone to dendrite formation, which can cause short-circuiting. The eventual solution was to use an intercalation anode, similar to that used for the cathode, which prevents the formation of lithium metal during battery charging. A variety of anode materials were studied. In 1980, Rachid Yazami demonstrated reversible electrochemical intercalation of lithium in graphite, a concept originally proposed by Jürgen Otto Besenhard in 1974 but considered unfeasible due to unresolved incompatibilities with the electrolytes then in use. In fact, Yazami's work was itself limited to a solid electrolyte (polyethylene oxide), because liquid solvents tested by him and before co-intercalated with Li⁺ ions into graphite, causing the graphite to crumble.

In 1985, Akira Yoshino at Asahi Kasei Corporation discovered that petroleum coke, a less graphitized form of carbon, can reversibly intercalate Li-ions at a low potential of ~0.5 V relative to Li+ /Li without structural degradation. Its structural stability originates from the amorphous carbon regions in petroleum coke serving as covalent joints to pin the layers together. Although the amorphous nature of petroleum coke limits capacity compared to graphite (~Li0.5C6, 0.186 Ah g–1), it became the first commercial intercalation anode for Li-ion batteries owing to its cycling stability.

in 1987, Akira Yoshino patented what would become the first commercial lithium-ion battery using an anode of "soft carbon" (a charcoal-like material) along with Goodenough's previously reported LiCoO₂ cathode and a carbonate ester-based electrolyte. This battery is assembled in a discharged state, which makes its manufacturing safer and cheaper. In 1991, using Yoshino's design, Sony began producing and selling the world's first rechargeable lithium-ion batteries. The following year, a joint venture between Toshiba and Asashi Kasei Co. also released their lithium-ion battery.

Significant improvements in energy density were achieved in the 1990s by replacing the soft carbon anode first with hard carbon and later with graphite. In 1990, Jeff Dahn and two colleagues at Dalhousie University (Canada) reported reversible intercalation of lithium ions into graphite in the presence of ethylene carbonate solvent (which is solid at room temperature and is mixed with other solvents to make a liquid), thus finding the final piece of the puzzle leading to the modern lithium-ion battery.

In 2010, global lithium-ion battery production capacity was 20 gigawatt-hours. By 2016, it was 28 GWh, with 16.4 GWh in China. Global production capacity was 767 GWh in 2020, with China accounting for 75%. Production in 2021 is estimated by various sources to be between 200 and 600 GWh, and predictions for 2023 range from 400 to 1,100 GWh.

In 2012, John B. Goodenough, Rachid Yazami and Akira Yoshino received the 2012 IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies for developing the lithium-ion battery; Goodenough, Whittingham, and Yoshino were awarded the 2019 Nobel Prize in Chemistry "for the development of lithium-ion batteries". Jeff Dahn received the ECS Battery Division Technology Award (2011) and the Yeager award from the International Battery Materials Association (2016).

In April 2023, CATL announced that it would begin scaled-up production of its semi-solid condensed matter battery that produces a then record 500 Wh/kg. They use electrodes made from a gelled material, requiring fewer binding agents. This in turn shortens the manufacturing cycle. One potential application is in battery-powered airplanes. Another new development of lithium-ion batteries are flow batteries with redox-targeted solids,that use no binders or electron-conducting additives, and allow for completely independent scaling of energy and power.

Design

Cylindrical Panasonic 18650 lithium-ion cell before closing.

Lithium-ion battery monitoring electronics (over-charge and deep-discharge protection)

Left: AA alkaline battery. Right: 18650 lithium ion battery

Generally, the negative electrode of a conventional lithium-ion cell is graphite made from carbon. The positive electrode is typically a metal oxide or phosphate. The electrolyte is a lithium salt in an organic solvent. The negative electrode (which is the anode when the cell is discharging) and the positive electrode (which is the cathode when discharging) are prevented from shorting by a separator. The electrodes are connected to the powered circuit through two pieces of metal called current collectors.

The negative and positive electrodes swap their electrochemical roles (anode and cathode) when the cell is charged. Despite this, in discussions of battery design the negative electrode of a rechargeable cell is often just called "the anode" and the positive electrode "the cathode".

In its fully lithiated state of LiC₆, graphite correlates to a theoretical capacity of 1339 coulombs per gram (372 mAh/g). The positive electrode is generally one of three materials: a layered oxide (such as lithium cobalt oxide), a polyanion (such as lithium iron phosphate) or a spinel (such as lithium manganese oxide). More experimental materials include graphene-containing electrodes, although these remain far from commercially viable due to their high cost.

Lithium reacts vigorously with water to form lithium hydroxide (LiOH) and hydrogen gas. Thus, a non-aqueous electrolyte is typically used, and a sealed container rigidly excludes moisture from the battery pack. The non-aqueous electrolyte is typically a mixture of organic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate containing complexes of lithium ions. Ethylene carbonate is essential for making solid electrolyte interphase on the carbon anode, but since it is solid at room temperature, a liquid solvent (such as propylene carbonate or diethyl carbonate) is added.

The electrolyte salt is almost always lithium hexafluorophosphate (LiPF
₆), which combines good ionic conductivity with chemical and electrochemical stability. The hexafluorophosphate anion is essential for passivating the aluminum current collector used for the positive electrode. A titanium tab is ultrasonically welded to the aluminum current collector.Other salts like lithium perchlorate (LiClO
₄), lithium tetrafluoroborate (LiBF
₄), and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiC
₂F
₆NO
₄S
₂) are frequently used in research in tab-less coin cells, but are not usable in larger format cells, often because they are not compatible with the aluminum current collector. Copper (with a spot-welded nickel tab) is used as the current collector at the negative electrode.

Current collector design and surface treatments may take various forms: foil, mesh, foam (dealloyed), etched (wholly or selectively), and coated (with various materials) to improve electrical characteristics.

Depending on materials choices, the voltage, energy density, life, and safety of a lithium-ion cell can change dramatically. Current effort has been exploring the use of novel architectures using nanotechnology to improve performance. Areas of interest include nano-scale electrode materials and alternative electrode structures.

Electrochemistry

The reactants in the electrochemical reactions in a lithium-ion cell are the materials of the electrodes, both of which are compounds containing lithium atoms. Although many thousands of different materials have been investigated for use in lithium-ion batteries, only a very small number are commercially usable. All commercial Li-ion cells use intercalation compounds as active materials. The negative electrode is usually graphite, although silicon is often mixed in to increase the capacity. The solvent is usually lithium hexafluorophosphate, dissolved in a mixture of organic carbonates. A number of different materials are used for the positive electrode, such as LiCoO₂, LiFePO₄, and lithium nickel manganese cobalt oxides.

During cell discharge the negative electrode is the anode and the positive electrode the cathode: electrons flow from the anode to the cathode through the external circuit. An oxidation half-reaction at the anode produces positively charged lithium ions and negatively charged electrons. The oxidation half-reaction may also produce uncharged material that remains at the anode. Lithium ions move through the electrolyte; electrons move through the external circuit toward the cathode where they recombine with the cathode material in a reduction half-reaction. The electrolyte provides a conductive medium for lithium ions but does not partake in the electrochemical reaction. The reactions during discharge lower the chemical potential of the cell, so discharging transfers energy from the cell to wherever the electric current dissipates its energy, mostly in the external circuit.

During charging these reactions and transports go in the opposite direction: electrons move from the positive electrode to the negative electrode through the external circuit. To charge the cell the external circuit has to provide electrical energy. This energy is then stored as chemical energy in the cell (with some loss, e. g., due to coulombic efficiency lower than 1).

Both electrodes allow lithium ions to move in and out of their structures with a process called insertion (intercalation) or extraction (deintercalation), respectively.

As the lithium ions "rock" back and forth between the two electrodes, these batteries are also known as "rocking-chair batteries" or "swing batteries" (a term given by some European industries).

The following equations exemplify the chemistry (left to right: discharging, right to left: charging).

The negative electrode half-reaction for the graphite is

${\ce {LiC6 <=> C6 + Li+ + e^-}}$

The positive electrode half-reaction in the lithium-doped cobalt oxide substrate is

${\ce {CoO2 + Li+ + e- <=> LiCoO2}}$

The full reaction being

${\ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}$

The overall reaction has its limits. Overdischarging supersaturates lithium cobalt oxide, leading to the production of lithium oxide, possibly by the following irreversible reaction:

${\ce {Li+ + e^- + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}$

Overcharging up to 5.2 volts leads to the synthesis of cobalt (IV) oxide, as evidenced by x-ray diffraction:

${\ce {LiCoO2 -> Li+ + CoO2 + e^-}}$

The transition metal in the positive electrode, cobalt (Co), is reduced from Co⁴⁺
to Co³⁺
during discharge, and oxidized from Co³⁺
to Co⁴⁺
during charge.

The cell's energy is equal to the voltage times the charge. Each gram of lithium represents Faraday's constant/6.941, or 13,901 coulombs. At 3 V, this gives 41.7 kJ per gram of lithium, or 11.6 kWh per kilogram of lithium. This is a bit more than the heat of combustion of gasoline but does not consider the other materials that go into a lithium battery and that make lithium batteries many times heavier per unit of energy.

Note that the cell voltages involved in these reactions are larger than the potential at which an aqueous solutions would electrolyze.

Discharging and charging

During discharge, lithium ions (Li⁺
) carry the current within the battery cell from the negative to the positive electrode, through the non-aqueous electrolyte and separator diaphragm.

During charging, an external electrical power source applies an over-voltage (a voltage greater than the cell's own voltage) to the cell, forcing electrons to flow from the positive to the negative electrode. The lithium ions also migrate (through the electrolyte) from the positive to the negative electrode where they become embedded in the porous electrode material in a process known as intercalation.

Energy losses arising from electrical contact resistance at interfaces between electrode layers and at contacts with current collectors can be as high as 20% of the entire energy flow of batteries under typical operating conditions.

The charging procedures for single Li-ion cells, and complete Li-ion batteries, are slightly different:

• A single Li-ion cell is charged in two stages:

1. Constant current (CC)
2. Constant voltage (CV)

• A Li-ion battery (a set of Li-ion cells in series) is charged in three stages:

1. Constant current
2. Balance (only required when cell groups become unbalanced during use)
3. Constant voltage

During the constant current phase, the charger applies a constant current to the battery at a steadily increasing voltage, until the top-of-charge voltage limit per cell is reached.

During the balance phase, the charger/battery reduces the charging current (or cycles the charging on and off to reduce the average current) while the state of charge of individual cells is brought to the same level by a balancing circuit until the battery is balanced. Balancing typically occurs whenever one or more cells reach their top-of-charge voltage before the other(s), as it is generally inaccurate to do so at other stages of the charge cycle. This is most commonly done by passive balancing, which dissipates excess charge via resistors connected momentarily across the cell(s) to be balanced. Active balancing is less common, more expensive, but more efficient, returning excess energy to other cells (or the entire pack) through the means of a DC-DC converter or other circuitry. Some fast chargers skip this stage. Some chargers accomplish the balance by charging each cell independently. This is often performed by the battery protection circuit/battery management system (BPC or BMS) and not the charger (which typically provides only the bulk charge current, and does not interact with the pack at the cell-group level), e.g., e-bike and hoverboard chargers. In this method, the BPC/BMS will request a lower charge current (such as EV batteries), or will shut-off the charging input (typical in portable electronics) through the use of transistor circuitry while balancing is in effect (to prevent over-charging cells). Balancing most often occurs during the constant voltage stage of charging, switching between charge modes until complete. The pack is usually fully charged only when balancing is complete, as even a single cell group lower in charge than the rest will limit the entire battery's usable capacity to that of its own. Balancing can last hours or even days, depending on the magnitude of the imbalance in the battery.

During the constant voltage phase, the charger applies a voltage equal to the maximum cell voltage times the number of cells in series to the battery, as the current gradually declines towards 0, until the current is below a set threshold of about 3% of initial constant charge current.

Periodic topping charge about once per 500 hours. Top charging is recommended to be initiated when voltage goes below 4.05 V/cell.

Failure to follow current and voltage limitations can result in an explosion.

Charging temperature limits for Li-ion are stricter than the operating limits. Lithium-ion chemistry performs well at elevated temperatures but prolonged exposure to heat reduces battery life. Li‑ion batteries offer good charging performance at cooler temperatures and may even allow "fast-charging" within a temperature range of 5 to 45 °C (41 to 113 °F). Charging should be performed within this temperature range. At temperatures from 0 to 5 °C charging is possible, but the charge current should be reduced. During a low-temperature (under 0 °C) charge, the slight temperature rise above ambient due to the internal cell resistance is beneficial. High temperatures during charging may lead to battery degradation and charging at temperatures above 45 °C will degrade battery performance, whereas at lower temperatures the internal resistance of the battery may increase, resulting in slower charging and thus longer charging times.

A lithium-ion battery from a laptop computer

Batteries gradually self-discharge even if not connected and delivering current. Li-ion rechargeable batteries have a self-discharge rate typically stated by manufacturers to be 1.5–2% per month.

The rate increases with temperature and state of charge. A 2004 study found that for most cycling conditions self-discharge was primarily time-dependent; however, after several months of stand on open circuit or float charge, state-of-charge dependent losses became significant. The self-discharge rate did not increase monotonically with state-of-charge, but dropped somewhat at intermediate states of charge. Self-discharge rates may increase as batteries age. In 1999, self-discharge per month was measured at 8% at 21 °C, 15% at 40 °C, 31% at 60 °C. By 2007, monthly self-discharge rate was estimated at 2% to 3%, and 2–3% by 2016.

By comparison, the self-discharge rate for NiMH batteries dropped, as of 2017, from up to 30% per month for previously common cells to about 0.08–0.33% per month for low self-discharge NiMH batteries, and is about 10% per month in NiCd batteries.

Cathode

There are three classes of commercial cathode materials in lithium-ion batteries: (1) layered oxides, (2) spinel oxides and (3) oxoanion complexes. All of them were discovered by John Goodenough and his collaborators.

Layered Oxides

LiCoO₂ was used in the first commercial lithium-ion battery made by Sony in 1991. The layered oxides have a pseudo-tetrahedral structure comprising layers made of MO₆ octahedra separated by interlayer spaces that allow for two-dimensional lithium-ion diffusion. The band structure of Li_xCoO₂ allows for true electronic (rather than polaronic) conductivity. However, due to an overlap between the Co⁴⁺ t_2g d-band with the O^2- 2p-band, the x must be >0.5, otherwise O₂ evolution occurs. This limits the charge capacity of this material to ~140 mA h g⁻¹.

Several other first-row (3d) transition metals form layered LiMO₂ salts. Some of them can be directly prepared from lithium oxide and M₂O₃ (e.g. for M=Ti, V, Cr, Co, Ni), while others (M= Mn or Fe) can be prepared by ion exchange from NaMO₂. LiVO₂, LiMnO₂ and LiFeO₂ suffer from structural instabilities (including mixing between M and Li sites) due to a low energy difference between octahedral and tetrahedral environments for the metal ion M. For this reason, they are not used in lithium-ion batteries. However, Na⁺ and Fe³⁺ have sufficiently different sizes that NaFeO₂ can be used in sodium-ion batteries.

Similarly, LiCrO₂ shows reversible lithium (de)intercalation around 3.2 V with 170–270 mAh/g. However, its cycle life is short, because of disproportionation of Cr⁴⁺ followed by translocation of Cr⁶⁺ into tetrahedral sites. On the other hand, NaCrO₂ shows a much better cycling stability. LiTiO₂ shows Li+ (de)intercalation at a voltage of ~1.5 V, which is too low for a cathode material.

These problems leave LiCoO
₂ and LiNiO
₂ as the only practical layered oxide materials for lithium-ion battery cathodes. The cobalt-based cathodes show high theoretical specific (per-mass) charge capacity, high volumetric capacity, low self-discharge, high discharge voltage, and good cycling performance. Unfortunately, they suffer from a high cost of the material. For this reason, the current trend among lithium-ion battery manufacturers is to switch to cathodes with higher Ni content and lower Co content.

In addition to a lower (than cobalt) cost, nickel-oxide based materials benefit from the two-electron redox chemistry of Ni: in layered oxides comprising nickel (such as nickel-cobalt-manganese NCM and nickel-cobalt-aluminium oxides NCA), Ni cycles between the oxidation states +2 and +4 (in one step between +3.5 and +4.3 V), cobalt- between +2 and +3, while Mn (usually >20%) and Al (typically, only 5% is needed) remain in +4 and 3+, respectively. Thus increasing the Ni content increases the cyclable charge. For example, NCM111 shows 160 mAh/g, while LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM811) and LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ (NCA) deliver a higher capacity of ~200 mAh/g.

It is worth mentioning so-called "lithium-rich" cathodes, that can be produced from traditional NCM (LiMO₂, where M=Ni, Co, Mn) layered cathode materials upon cycling them to voltages/charges corresponding to Li:M<0.5. Under such conditions a new semi-reversible redox transition at a higher voltage with ca. 0.4-0.8 electrons/metal site charge appears. This transition involves non-binding electron orbitals centered mostly on O atoms. Despite significant initial interest, this phenomenon did not result in marketable products because of the fast structural degradation (O2 evolution and lattice rearrangements) of such "lithium-rich" phases.

Cubic oxides (spinels)

LiMn₂O₄ adopts a cubic lattice, which allows for three-dimensional lithium-ion diffusion. Manganese cathodes are attractive because manganese is less expensive than cobalt or nickel. The operating voltage of Li-LiMn₂O₄ battery is 4 V, and ca. one lithium per two Mn ions can be reversibly extracted from the tetrahedral sites, resulting in a practical capacity of <130 mA h g–1. However, Mn³⁺ is not a stable oxidation state, as it tends to disporportionate into insoluble Mn⁴⁺ and soluble Mn²⁺. LiMn₂O₄ can also intercalate more than 0.5 Li per Mn at a lower voltage around +3.0 V. However, this results in an irreversible phase transition due to Jahn-Teller distortion in Mn3+:t2g3eg1, as well as disproportionation and dissolution of Mn³⁺.

An important improvement of Mn spinel are related cubic structures of the LiMn_1.5Ni_0.5O₄ type, where Mn exists as Mn4+ and Ni cycles reversibly between the oxidation states +2 and +4. This materials show a reversible Li-ion capacity of ca. 135 mAh/g around 4.7 V. Although such high voltage is beneficial for increasing the specific energy of batteries, the adoption of such materials is currently hindered by the lack of suitable high-voltage electrolytes. In general, materials with a high nickel content are favored in 2023, because of the possibility of a 2-electron cycling of Ni between the oxidation states +2 and +4.

LiV₂O₄ (lithium vanadium oxide) operates as a lower (ca. +3.0 V) voltage than LiMn₂O₄, suffers from similar durability issues, is more expensive, and thus is not considered of practical interest.

Oxoanionic/olivins

Around 1980 Manthiram discovered, that oxoanions (molybdates and tungstates in that particular case) cause a substantial positive shift in the redox potential of the metal-ion compared to oxides. In addition, these oxoanionic cathode materials offer better stability/safety than the corresponding oxides. On the other hand, unlike the aforementioned oxides, oxoanionic cathodes suffer from poor electronic conductivity, which stems primarily from a long distance between redox-active metal centers, which slows down the electron transport. This necessitates the use of small (<200 nm) cathode particles and coatng each particle with a layer of electroncally-conducting carbon to overcome its low electrical conductivity. This further reduces the packing density of these materials.

Although numerous oxoanions (sulfate, phosphate, silicate) / metal (Mn, Fe, Co, Ni) cation combinations have been studied since, LiFePO4 is the only one, that reached the market. As of 2023, LiFePO
₄ is the primary candidate for large-scale use of lithium-ion batteries for stationary energy storage (rather than electric vehicles) due to its low cost, excellent safety, and high cycle durability. For example, Sony Fortelion batteries have retained 74% of their capacity after 8000 cycles with 100% discharge.

Positive electrode

Technology	Company	Target application	Benefit
Lithium nickel manganese cobalt oxide NMC, LiNixMnyCozO2	Imara Corporation, Nissan Motor, Microvast Inc., LG Chem, Northvolt	Electric vehicles, power tools, grid energy storage	Good specific energy and specific power density
Lithium nickel cobalt aluminium oxide NCA, LiNiCoAlO2	Panasonic, Saft Groupe S.A. Samsung	Electric vehicles, power tools, grid energy storage	High specific energy, good life span
Lithium nickel cobalt manganese aluminum oxide NCMA, LiNi 0.89Co 0.05Mn 0.05Al 0.01O 2	LG Chem, Hanyang University	Electric vehicles, grid energy storage	Good specific energy, improved long-term cycling stability, faster charging
Lithium manganese oxide LMO, LiMn2O4	LG Chem, NEC, Samsung, Hitachi, Nissan/AESC, EnerDel	Hybrid electric vehicle, cell phone, laptop
Lithium iron phosphate LFP, LiFePO4	University of Texas/Hydro-Québec, Phostech Lithium Inc., Valence Technology, A123Systems/MIT	Electric vehicles, Segway Personal Transporter, power tools, aviation products, automotive hybrid systems, PHEV conversions	moderate density (2 A·h outputs 70 amperes) High safety compared to Cobalt / Manganese systems. Operating temperature >60 °C (140 °F)
Lithium cobalt oxide LCO, LiCoO2	Sony first commercial production	Broad use, laptop	High specific energy

Anode

Main article: Research in lithium-ion batteries § Anode

Negative electrode materials are traditionally constructed from graphite and other carbon materials, although newer silicon-based materials are being increasingly used (see Nanowire battery). In 2016, 89% of lithium-ion batteries contained graphite (43% artificial and 46% natural), 7% contained amorphous carbon (either soft carbon or hard carbon), 2% contained lithium titanate (LTO) and 2% contained silicon or tin-based materials.

These materials are used because they are abundant, electrically conducting and can intercalate lithium ions to store electrical charge with modest volume expansion (~10%). Graphite is the dominant material because of its low intercalation voltage and excellent performance. Various alternative materials with higher capacities have been proposed, but they usually have higher voltages, which reduces energy density. Low voltage is the key requirement for anodes; otherwise, the excess capacity is useless in terms of energy density.

Negative electrode

Technology	Energy density	Durability	Company	Target application	Comments
Graphite	260 Wh/kg		Tesla	The dominant negative electrode material used in lithium-ion batteries, limited to a capacity of 372 mAh/g.	Low cost and good energy density. Graphite anodes can accommodate one lithium atom for every six carbon atoms. Charging rate is governed by the shape of the long, thin graphene sheets that constitute graphite. While charging, the lithium ions must travel to the outer edges of the graphene sheet before coming to rest (intercalating) between the sheets. The circuitous route takes so long that they encounter congestion around those edges.
Lithium titanate LTO, Li4Ti5O12			Toshiba, Altairnano	Automotive (Phoenix Motorcars), electrical grid (PJM Interconnection Regional Transmission Organization control area, United States Department of Defense), bus (Proterra)	Improved output, charging time, durability (safety, operating temperature −50–70 °C (−58–158 °F)).
Hard carbon			Energ2	Home electronics	Greater storage capacity.
Tin/cobalt alloy			Sony	Consumer electronics (Sony Nexelion battery)	Larger capacity than a cell with graphite (3.5 Ah 18650-type cell).
Silicon/carbon	730 Wh/L 450 Wh/kg		Amprius	Smartphones, providing 5000 mAh capacity	Uses < 10% with silicon nanowires combined with graphite and binders. Energy density: ~74 mAh/g. Another approach used carbon-coated 15 nm thick crystal silicon flakes. The tested half-cell achieved 1200 mAh/g over 800 cycles.

As graphite is limited to a maximum capacity of 372 mAh/g much research has been dedicated to the development of materials that exhibit higher theoretical capacities and overcoming the technical challenges that presently encumber their implementation. The extensive 2007 Review Article by Kasavajjula et al.summarizes early research on silicon-based anodes for lithium-ion secondary cells. In particular, Hong Li et al. showed in 2000 that the electrochemical insertion of lithium ions in silicon nanoparticles and silicon nanowires leads to the formation of an amorphous Li-Si alloy. The same year, Bo Gao and his doctoral advisor, Professor Otto Zhou described the cycling of electrochemical cells with anodes comprising silicon nanowires, with a reversible capacity ranging from at least approximately 900 to 1500 mAh/g.

Diamond-like carbon coatings can increase retention capacity by 40% and cycle life by 400% for lithium based batteries.

To improve the stability of the lithium anode, several approaches to installing a protective layer have been suggested. Silicon is beginning to be looked at as an anode material because it can accommodate significantly more lithium ions, storing up to 10 times the electric charge, however this alloying between lithium and silicon results in significant volume expansion (ca. 400%), which causes catastrophic failure for the cell. Silicon has been used as an anode material but the insertion and extraction of ${\ce {\scriptstyle Li+}}$ can create cracks in the material. These cracks expose the Si surface to an electrolyte, causing decomposition and the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) on the new Si surface (crumpled graphene encapsulated Si nanoparticles). This SEI will continue to grow thicker, deplete the available ${\ce {\scriptstyle Li+}}$, and degrade the capacity and cycling stability of the anode.

In addition to carbon- and silicon- based anode materials for lithium-ion batteries, high-entropy metal oxide materials are being developed. These conversion (rather than intercalation) materials comprise an alloy (or subnanometer mixed phases) of several metal oxides performing different functions. For example, Zn and Co can act as electroactive charge-storing species, Cu can provide an electronically conducting support phase and MgO can prevent pulverization.

Electrolyte

Liquid electrolytes in lithium-ion batteries consist of lithium salts, such as LiPF
₆, LiBF
₄ or LiClO
₄ in an organic solvent, such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate. A liquid electrolyte acts as a conductive pathway for the movement of cations passing from the negative to the positive electrodes during discharge. Typical conductivities of liquid electrolyte at room temperature (20 °C (68 °F)) are in the range of 10 mS/cm, increasing by approximately 30–40% at 40 °C (104 °F) and decreasing slightly at 0 °C (32 °F). The combination of linear and cyclic carbonates (e.g., ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC)) offers high conductivity and solid electrolyte interphase (SEI)-forming ability. Organic solvents easily decompose on the negative electrodes during charge. When appropriate organic solvents are used as the electrolyte, the solvent decomposes on initial charging and forms a solid layer called the solid electrolyte interphase, which is electrically insulating, yet provides significant ionic conductivity. The interphase prevents further decomposition of the electrolyte after the second charge. For example, ethylene carbonate is decomposed at a relatively high voltage, 0.7 V vs. lithium, and forms a dense and stable interface. Composite electrolytes based on POE (poly(oxyethylene)) provide a relatively stable interface. It can be either solid (high molecular weight) and be applied in dry Li-polymer cells, or liquid (low molecular weight) and be applied in regular Li-ion cells. Room-temperature ionic liquids (RTILs) are another approach to limiting the flammability and volatility of organic electrolytes.

Recent advances in battery technology involve using a solid as the electrolyte material. The most promising of these are ceramics. Solid ceramic electrolytes are mostly lithium metal oxides, which allow lithium-ion transport through the solid more readily due to the intrinsic lithium. The main benefit of solid electrolytes is that there is no risk of leaks, which is a serious safety issue for batteries with liquid electrolytes. Solid ceramic electrolytes can be further broken down into two main categories: ceramic and glassy. Ceramic solid electrolytes are highly ordered compounds with crystal structures that usually have ion transport channels. Common ceramic electrolytes are lithium super ion conductors (LISICON) and perovskites. Glassy solid electrolytes are amorphous atomic structures made up of similar elements to ceramic solid electrolytes but have higher conductivities overall due to higher conductivity at grain boundaries. Both glassy and ceramic electrolytes can be made more ionically conductive by substituting sulfur for oxygen. The larger radius of sulfur and its higher ability to be polarized allow higher conductivity of lithium. This contributes to conductivities of solid electrolytes are nearing parity with their liquid counterparts, with most on the order of 0.1 mS/cm and the best at 10 mS/cm. An efficient and economic way to tune targeted electrolytes properties is by adding a third component in small concentrations, known as an additive. By adding the additive in small amounts, the bulk properties of the electrolyte system will not be affected whilst the targeted property can be significantly improved. The numerous additives that have been tested can be divided into the following three distinct categories: (1) those used for SEI chemistry modifications; (2) those used for enhancing the ion conduction properties; (3) those used for improving the safety of the cell (e.g. prevent overcharging).

Electrolyte alternatives have also played a significant role, for example the lithium polymer battery. Polymer electrolytes are promising for minimizing the dendrite formation of lithium. Polymers are supposed to prevent short circuits and maintain conductivity.

The ions in the electrolyte diffuse because there are small changes in the electrolyte concentration. Linear diffusion is only considered here. The change in concentration c, as a function of time t and distance x, is

${\frac {\partial c}{\partial t}}={\frac {D}{\varepsilon }}{\frac {\partial ^{2}c}{\partial x^{2}}}.$

In this equation, D is the diffusion coefficient for the lithium ion. It has a value of 7.5×10⁻¹⁰ m²/s in the LiPF
₆ electrolyte. The value for ε, the porosity of the electrolyte, is 0.724.

Formats

Nissan Leaf's lithium-ion battery pack

Lithium-ion batteries may have multiple levels of structure. Small batteries consist of a single battery cell. Larger batteries connect cells in parallel into a module and connect modules in series and parallel into a pack. Multiple packs may be connected in series to increase the voltage.

Cells

Li-ion cells are available in various form factors, which can generally be divided into four types:

• Small cylindrical (solid body without terminals, such as those used in most e-bikes and most electric vehicle battery and older laptop batteries); they typically come in standard sizes.
• Large cylindrical (solid body with large threaded terminals)
• Flat or pouch (soft, flat body, such as those used in cell phones and newer laptops; these are lithium-ion polymer batteries.
• Rigid plastic case with large threaded terminals (such as electric vehicle traction packs)

Cells with a cylindrical shape are made in a characteristic "swiss roll" manner (known as a "jelly roll" in the US), which means it is a single long "sandwich" of the positive electrode, separator, negative electrode, and separator rolled into a single spool. The result is encased in a container. One advantage of cylindrical cells is faster production speed. One disadvantage can be a large radial temperature gradient at high discharge rates.

The absence of a case gives pouch cells the highest gravimetric energy density; however, many applications require containment to prevent expansion when their state of charge (SOC) level is high, and for general structural stability. Both rigid plastic and pouch-style cells are sometimes referred to as prismatic cells due to their rectangular shapes. Three basic battery types are used in 2020s-era electric vehicles: cylindrical cells (e.g., Tesla), prismatic pouch (e.g., from LG), and prismatic can cells (e.g., from LG, Samsung, Panasonic, and others).

Lithium-ion flow batteries have been demonstrated that suspend the cathode or anode material in an aqueous or organic solution.

As of 2014, the smallest Li-ion cell was pin-shaped with a diameter of 3.5 mm and a weight of 0.6 g, made by Panasonic. A coin cell form factor is available for LiCoO₂ cells, usually designated with a "LiR" prefix.

Batteries may be equipped with temperature sensors, heating/cooling systems, voltage regulator circuits, voltage taps, and charge-state monitors. These components address safety risks like overheating and short circuiting.

Uses

Lithium ion batteries are used in a multitude of applications from consumer electronics, toys, power tools and electric vehicles.

More niche uses include backup power in telecommunications applications. Lithium-ion batteries are also frequently discussed as a potential option for grid energy storage, although as of 2020, they were not yet cost-competitive at scale.

Performance

Specific energy density	100 to 250 W·h/kg (360 to 900 kJ/kg)
Volumetric energy density	250 to 680 W·h/L (900 to 2230 J/cm3)
Specific power density	300 to 1500 W/kg (at 20 seconds and 285 W·h/L)

Because lithium-ion batteries can have a variety of positive and negative electrode materials, the energy density and voltage vary accordingly.

The open-circuit voltage is higher than in aqueous batteries (such as lead–acid, nickel–metal hydride and nickel–cadmium). Internal resistance increases with both cycling and age, although this depends strongly on the voltage and temperature the batteries are stored at. Rising internal resistance causes the voltage at the terminals to drop under load, which reduces the maximum current draw. Eventually, increasing resistance will leave the battery in a state such that it can no longer support the normal discharge currents requested of it without unacceptable voltage drop or overheating.

Batteries with a lithium iron phosphate positive and graphite negative electrodes have a nominal open-circuit voltage of 3.2 V and a typical charging voltage of 3.6 V. Lithium nickel manganese cobalt (NMC) oxide positives with graphite negatives have a 3.7 V nominal voltage with a 4.2 V maximum while charging. The charging procedure is performed at constant voltage with current-limiting circuitry (i.e., charging with constant current until a voltage of 4.2 V is reached in the cell and continuing with a constant voltage applied until the current drops close to zero). Typically, the charge is terminated at 3% of the initial charge current. In the past, lithium-ion batteries could not be fast-charged and needed at least two hours to fully charge. Current-generation cells can be fully charged in 45 minutes or less. In 2015 researchers demonstrated a small 600 mAh capacity battery charged to 68 percent capacity in two minutes and a 3,000 mAh battery charged to 48 percent capacity in five minutes. The latter battery has an energy density of 620 W·h/L. The device employed heteroatoms bonded to graphite molecules in the anode. Recent advancements show that single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) enhance the mechanical strength, electrical connectivity, and capacity retention of the electrodes, maintaining active particles' electrical and electrochemical activity during cycles. This also results in a shorter charging time for a silicon anode battery with SWCNTs, with the time needed falling to less than 15 minutes to charge from 10% to 90% capacity.

Performance of manufactured batteries has improved over time. For example, from 1991 to 2005 the energy capacity per price of lithium-ion batteries improved more than ten-fold, from 0.3 W·h per dollar to over 3 W·h per dollar. In the period from 2011 to 2017, progress has averaged 7.5% annually. Overall, between 1991 and 2018, prices for all types of lithium-ion cells (in dollars per kWh) fell approximately 97%. Over the same time period, energy density more than tripled.Efforts to increase energy density contributed significantly to cost reduction. Energy density can also be increased by improvements in the chemistry if the cell, for instance, by full or partial replacement of graphite with silicon. Silicon anodes enhanced with graphene nanotubes to eliminate the premature degradation of silicon open the door to reaching record-breaking battery energy density of up to 350 Wh/kg and lowering EV prices to be competitive with ICEs.

Differently sized cells with similar chemistry can also have different energy densities. The 21700 cell has 50% more energy than the 18650 cell, and the bigger size reduces heat transfer to its surroundings.

Round-trip efficiency

The table below shows the result of an experimental evaluation of a "high-energy" type 3.0 Ah 18650 NMC cell in 2021, round-trip efficiency which compared the energy going into the cell and energy extracted from the cell from 100% (4.2v) SoC to 0% SoC (cut off 2.0v). A roundtrip efficiency is the percent of energy that can be used relative to the energy that went into charging the battery.

C rate	efficiency	estimated charge efficiency	estimated discharged efficiency
0.2	86%	93%	92%
0.4	82%	92%	90%
0.6	81%	91%	89%
0.8	77%	90%	86%
1.0	75%	89%	85%
1.2	73%	89%	83%

Characterization of a cell in a different experiment in 2017 reported round-trip efficiency of 85.5% at 2C and 97.6% at 0.1C

Lifespan

See also: Electronic waste and Technology-critical element

The lifespan of a lithium-ion battery is typically defined as the number of full charge-discharge cycles to reach a failure threshold in terms of capacity loss or impedance rise. Manufacturers' datasheet typically uses the word "cycle life" to specify lifespan in terms of the number of cycles to reach 80% of the rated battery capacity. Simply storing lithium-ion batteries in the charged state also reduces their capacity (the amount of cyclable Li⁺) and increases the cell resistance (primarily due to the continuous growth of the solid electrolyte interface on the anode). Calendar life is used to represent the whole life cycle of battery involving both the cycle and inactive storage operations. Battery cycle life is affected by many different stress factors including temperature, discharge current, charge current, and state of charge ranges (depth of discharge). Batteries are not fully charged and discharged in real applications such as smartphones, laptops and electric cars and hence defining battery life via full discharge cycles can be misleading. To avoid this confusion, researchers sometimes use cumulative discharge определяется как общий объем заряда (Ач), доставленный аккумулятором в течение всего срока его службы или эквивалентных полных циклов, который представляет собой сумму частичных циклов как частей полного цикла зарядки-разрядки. На деградацию аккумулятора во время хранения влияют температура и уровень заряда аккумулятора (SOC), а сочетание полного заряда (100% SOC) и высокой температуры (обычно > 50 °C) может привести к резкому падению емкости и выделению газа. Multiplying the battery cumulative discharge by the rated nominal voltage gives the total energy delivered over the life of the battery. From this one can calculate the cost per kWh of the energy (including the cost of charging).

В течение срока службы батареи постепенно деградируют, что приводит к снижению емкости (а в некоторых случаях к снижению рабочего напряжения элементов) из-за различных химических и механических изменений в электродах.

В литий-ионных батареях происходит несколько процессов деградации: некоторые во время езды на велосипеде, некоторые во время хранения, а некоторые постоянно: Деградация сильно зависит от температуры: деградация при комнатной температуре минимальна, но увеличивается для батарей, хранящихся или используемых в условиях высокой температуры (обычно > 35 °C) или низкой температуры (обычно < 5 °C). Высокий уровень заряда также ускоряет потерю емкости . Частая чрезмерная зарядка (> 90 %) и чрезмерная разрядка (< 10 %) также могут ускорить потерю емкости .

В ходе исследования ученые предоставили 3D-изображения и анализ моделей, чтобы выявить основные причины, механизмы и потенциальные способы смягчения проблемной деградации батарей в течение циклов зарядки . Они обнаружили, что «увеличение растрескивания частиц и потеря контакта между частицами и доменом углеродной связи коррелируют с деградацией клеток» и указывают на то, что «неоднородность реакции внутри толстого катода, вызванная несбалансированной электронной проводимостью, является основной причиной деградация батареи при езде на велосипеде».

Наиболее распространенные механизмы деградации литий-ионных аккумуляторов включают в себя:

1. Восстановление органического карбонатного электролита на аноде, что приводит к увеличению границы раздела твердых электролитов (SEI), где Что ⁺ ионы необратимо захватываются, т.е. теряются запасы лития. Это проявляется в увеличении омического сопротивления и уменьшении заряда Ач. При постоянной температуре толщина пленки SEI (и, следовательно, устойчивость SEI и потеря цикличности Что ⁺ ) увеличивается как квадратный корень из времени, проведенного в заряженном состоянии. Количество циклов не является полезным показателем для характеристики этого пути разложения. При высоких температурах или при наличии механических повреждений восстановление электролита может протекать взрывно.
2. Металлическое литиевое покрытие также приводит к потере запасов лития (циклический заряд Ач), а также к внутреннему короткому замыканию и возгоранию батареи. Когда во время цикла начинается нанесение литиевого покрытия, это приводит к увеличению наклона потери емкости за цикл и увеличению сопротивления за цикл. Этот механизм деградации становится более заметным во время быстрой зарядки и низких температур.
3. Потеря (отрицательных или положительных) электроактивных материалов из-за растворения (например, Мин. ³⁺ виды), растрескивание, шелушение, отслоение или даже простое регулярное изменение объема во время езды на велосипеде. Это проявляется как снижение заряда и мощности (повышенное сопротивление). Материалы как положительных, так и отрицательных электродов подвержены разрушению из-за объемной деформации повторяющихся циклов (де)литиирования.
4. Структурная деградация катодных материалов, таких как Что ⁺ /В ²⁺ катионное смешение в богатых никелем материалах. Это проявляется как «насыщение электрода», потеря циклируемого заряда Ач и как «снижение напряжения».
5. Прочие материальные разрушения. Отрицательный медный токоотвод особенно склонен к коррозии/растворению при низком напряжении элемента. Связующее ПВДФ также разлагается, вызывая отслоение электроактивных материалов и потерю циклируемого заряда Ач.

Обзор взаимосвязи между факторами эксплуатационного стресса (причинами деградации), соответствующими механизмами старения, режимом старения и их влиянием на старение литий-ионных аккумуляторов.

Они показаны на рисунке справа. Переход от одного основного механизма деградации к другому проявляется в виде перегиба (изменения наклона) на графике зависимости производительности от числа циклов.

Большинство исследований старения литий-ионных аккумуляторов проводились при повышенных (50–60 °C) температурах, чтобы быстрее завершить эксперименты. При таких условиях хранения полностью заряженные никель-кобальт-алюминиевые и литий-железофосфатные элементы теряют ок. 20% от их циклического заряда за 1–2 года. Считается, что вышеупомянутое старение анода является наиболее важным путем деградации в этих случаях. С другой стороны, катоды на основе марганца в этих условиях демонстрируют более быструю деградацию (около 20–50%), что, вероятно, связано с дополнительным механизмом растворения ионов Mn. При 25 °C деградация литий-ионных батарей, по-видимому, идет по тому же пути, что и деградация при 50 °C, но с вдвое меньшей скоростью. Другими словами, исходя из ограниченных экстраполированных экспериментальных данных, ожидается, что литий-ионные батареи безвозвратно потеряют ок. 20% заряда, который можно использовать в цикле, за 3–5 лет или 1000–2000 циклов при 25 °C. Литий-ионные батареи с титанатными анодами не страдают от роста SEI и служат дольше (>5000 циклов), чем графитовые аноды. Однако в полных клетках другие механизмы деградации (т.е. растворение Мин. ³⁺ и В ²⁺ / Что ⁺ обмен местами, разложение связующего ПВДФ и отслоение частиц) проявляются через 1000–2000 дней, а использование титанатного анода на практике не улучшает полную долговечность элемента.

Подробное описание деградации

Более подробное описание некоторых из этих механизмов представлено ниже:

1. Отрицательный (анодный) слой SEI, пассивирующее покрытие, образованное продуктами восстановления электролита (например, этиленкарбоната , диметилкарбоната , но не пропиленкарбоната ), необходим для обеспечения Li ⁺ ионная проводимость, предотвращая при этом перенос электронов (и, следовательно, дальнейшее восстановление растворителя). В типичных условиях эксплуатации отрицательный слой SEI достигает фиксированной толщины после первых нескольких зарядов (циклов формирования), что позволяет устройству работать годами. Однако при повышенных температурах или из-за механического отделения отрицательного SEI это экзотермическое восстановление электролита может протекать бурно и привести к взрыву в результате нескольких реакций. Литий-ионные аккумуляторы склонны к снижению емкости в течение сотен до тысяч циклов. При формировании SEI расходуются ионы лития, что снижает общую эффективность заряда и разряда материала электрода. В качестве продукта разложения в электролит можно добавлять различные добавки, образующие SEI, чтобы способствовать образованию более стабильного SEI, который остается селективным для прохождения ионов лития, блокируя при этом электроны. Циклическая работа элементов при высокой температуре или на высоких скоростях может способствовать деградации литий-ионных батарей, отчасти из-за деградации SEI или литиевого покрытия. Зарядка литий-ионных аккумуляторов выше 80% может значительно ускорить деградацию аккумулятора.

   В зависимости от электролита и присадок, Обычные компоненты слоя SEI, который образуется на аноде, включают смесь оксида лития, фторида лития и семикарбонатов (например, алкилкарбонатов лития). При повышенных температурах алкилкарбонаты в электролите разлагаются на нерастворимые соединения, такие как Li.
   ₂ СО
   ₃ , что увеличивает толщину пленки. Это увеличивает импеданс ячейки и уменьшает циклическую емкость. Газы, образующиеся при разложении электролита, могут увеличивать внутреннее давление элемента и представлять собой потенциальную угрозу безопасности в сложных условиях, таких как мобильные устройства. При температуре ниже 25 °C нанесение металлического лития на аноды и последующая реакция с электролитом приводят к потере пригодного к циклированию лития. Длительное хранение может вызвать постепенное увеличение толщины пленки и потерю емкости. Зарядка при напряжении более 4,2 В может инициировать Li ⁺ нанесение покрытия на анод, вызывающее необратимую потерю емкости.

   Механизмы разложения электролитов включают гидролиз и термическое разложение. При таких низких концентрациях, как 10 частей на миллион, вода начинает катализировать ряд продуктов разложения, которые могут повлиять на электролит, анод и катод. ЛиПФ
   ₆ участвует в равновесной реакции с LiF и PF
   ₅ . В типичных условиях равновесие лежит далеко влево. Однако присутствие воды приводит к образованию значительного количества LiF, нерастворимого электроизолирующего продукта. LiF связывается с поверхностью анода, увеличивая толщину пленки. ЛиПФ
   ₆ гидролиз дает PF
   ₅ , сильная кислота Льюиса , которая реагирует с веществами, богатыми электронами, такими как вода. ПФ
   ₅ реагирует с водой с образованием плавиковой кислоты (HF) и оксифторида фосфора . Оксифторид фосфора, в свою очередь, реагирует с образованием дополнительного HF и дифторгидроксифосфорной кислоты . HF превращает жесткую пленку SEI в хрупкую. На катоде карбонатный растворитель со временем может диффундировать к катодному оксиду, выделяя тепло и потенциально вызывая термический разгон. Разложение солей электролита и взаимодействие между солями и растворителем начинаются уже при 70 °C. Значительное разложение происходит при более высоких температурах. При 85 °C продукты переэтерификации , такие как диметил-2,5-диоксагексанкарбоксилат (DMDOHC), образуются в результате реакции EC с DMC.

   Аккумуляторы выделяют тепло при зарядке или разрядке, особенно при больших токах. Большие аккумуляторные блоки, например, используемые в электромобилях, обычно оснащены системами терморегулирования, которые поддерживают температуру от 15 °C (59 °F) до 35 °C (95 °F). Температура чехла и цилиндрической ячейки линейно зависит от тока разряда. Плохая внутренняя вентиляция может привести к повышению температуры. Для больших батарей, состоящих из нескольких ячеек, неравномерная температура может привести к неравномерной и ускоренной деградации. Напротив, календарная жизнь LiFePO
   ₄ ячейки не подвержены воздействию состояний с высоким зарядом.

   Положительный слой SEI в литий-ионных батареях изучен гораздо меньше, чем отрицательный SEI. Считается, что он обладает низкой ионной проводимостью и проявляется в увеличении межфазного сопротивления катода при циклическом и календарном старении.
2. Литиевое покрытие — это явление, при котором определенные условия приводят к образованию и отложению металлического лития на поверхности анода батареи, а не к его внедрению в структуру анодного материала. Низкие температуры, перезарядка и высокая скорость зарядки могут усугубить это явление. В этих условиях ионы лития могут неравномерно интеркалироваться в материал анода и образовывать на поверхности слои ионов лития в виде дендритов . Дендриты представляют собой крошечные игольчатые структуры, которые могут накапливаться и пробивать сепаратор, в результате чего короткое замыкание может привести к выходу из-под контроля температуры . Этот каскад быстрой и неконтролируемой энергии может привести к вздутию батареи, повышенному нагреву, возгоранию и/или взрывам. Кроме того, этот дендритный рост может привести к побочным реакциям с электролитом и превратить свежий литий в электрохимически инертный мертвый литий. Более того, рост дендритов, вызванный литиевым покрытием, может ухудшить литий-ионную батарею и привести к снижению эффективности цикла и угроз безопасности. Некоторые способы смягчения литиевого покрытия и роста дендритов заключаются в контроле температуры, оптимизации условий зарядки и улучшении используемых материалов. Что касается температуры, идеальная температура зарядки находится в диапазоне от 0 °C до 45 °C, но идеальна и комнатная температура (от 20 °C до 25 °C). Достижения в области инновационных материалов требуют большого количества исследований и разработок в области выбора электролита и повышения стойкости анода к гальваническому покрытию. Одним из таких инновационных материалов могло бы стать добавление в электролит других соединений, таких как фторэтиленкарбонат (FEC), для образования богатого LiF SEI. Другой новый метод — покрыть сепаратор защитным экраном, который по существу «убивает» ионы лития, прежде чем он сможет сформировать эти дендриты.
3. Некоторые катоды, содержащие марганец, могут разлагаться по механизму разложения Хантера, что приводит к растворению и восстановлению марганца на аноде. По механизму Хантера для LiMn
   ₂2О
   ₄ , плавиковая кислота катализирует потерю марганца посредством диспропорционирования поверхностного трехвалентного марганца с образованием четырехвалентного марганца и растворимого двухвалентного марганца:

   2Mn ³⁺ → Мн ²⁺ + Мн ⁴⁺

   Потеря материала шпинели приводит к снижению производительности. Уже при температуре 50 °C начинается Mn. ²⁺ осаждение на аноде металлического марганца с теми же эффектами, что и литий и меднение. Циклическое прохождение теоретических плато максимального и минимального напряжения разрушает кристаллическую решетку из-за искажения Яна-Теллера , которое происходит, когда Mn ⁴⁺ снижается до Mn ³⁺ во время выписки. Хранение батареи, заряженной до напряжения более 3,6 В, инициирует окисление электролита на катоде и вызывает образование слоя SEI на катоде. Как и в случае с анодом, чрезмерное образование SEI образует изолятор, что приводит к снижению емкости и неравномерному распределению тока. Хранение при напряжении менее 2 В приводит к медленной деградации LiCoO.
   ₂ и LiMn
   ₂2О
   ₄ катода, выделение кислорода и необратимая потеря емкости.
4. Разряд ниже 2 В также может привести к растворению медного анодного токосъёмника и, таким образом, к катастрофическому внутреннему короткому замыканию при перезарядке.

Рекомендации

Стандарт IEEE 1188–1996 рекомендует заменять литий-ионные аккумуляторы в электромобиле, когда их зарядная емкость падает до 80 % номинального значения. В дальнейшем мы будем использовать потерю мощности на 20% в качестве точки сравнения между различными исследованиями. Тем не менее, отметим, что линейная модель деградации (постоянный % потери заряда за цикл или за календарное время) не всегда применима и что «точка перегиба», наблюдаемая как изменение наклона и связанная с часто наблюдается смена основного механизма деградации.

Безопасность

Проблема безопасности литий-ионных аккумуляторов была осознана еще до того, как эти аккумуляторы были впервые коммерчески выпущены в 1991 году. Две основные причины возгораний и взрывов литий-ионных аккумуляторов связаны с процессами на отрицательном электроде (катоде). При нормальном заряде батареи ионы лития интеркалируются в графит. Однако, если заряд происходит слишком быстро (или при слишком низкой температуре), металлический литий начинает осаждаться на аноде, и образующиеся дендриты могут проникнуть в сепаратор батареи, вызвать внутреннее короткое замыкание элемента, что приведет к возникновению высокого электрического тока. нагрев и розжиг. При другом механизме взрывная реакция между материалом шихты анода (LiC ₆ ) и растворителем (жидким органическим карбонатом) происходит даже при разомкнутой цепи, при условии, что температура анода превышает определенный порог выше 70 °С.

В настоящее время все авторитетные производители используют как минимум два устройства безопасности во всех своих литий-ионных батареях формата 18650 или больше: устройство прерывания тока (CID) и устройство положительного температурного коэффициента (PTC). УИС состоит из двух металлических дисков, находящихся в электрическом контакте друг с другом. Когда давление внутри ячейки увеличивается, расстояние между двумя дисками также увеличивается, и они теряют электрический контакт друг с другом, тем самым прекращая прохождение электрического тока через батарею. Устройство ПТК изготовлено из электропроводящего полимера. Когда ток, проходящий через устройство PTC, увеличивается, полимер нагревается, и его электрическое сопротивление резко возрастает, тем самым уменьшая ток через батарею.

Опасность пожара

См. Также: Случаи возгорания электромобилей, подключаемых к сети

Литий-ионные аккумуляторы могут представлять угрозу безопасности, поскольку они содержат легковоспламеняющийся электролит и в случае повреждения могут оказаться под давлением. Слишком быстрая зарядка аккумуляторной батареи может вызвать короткое замыкание , что приведет к перегреву, взрывам и пожарам. Возгорание литий-ионного аккумулятора может возникнуть из-за (1) термического воздействия, например, плохого охлаждения или внешнего возгорания, (2) неправильного использования электрического тока, например, перезаряда или внешнего короткого замыкания, (3) механического воздействия, например, проникновения или аварии, или ( 4) внутреннее короткое замыкание, например, из-за производственного брака или старения. Из-за этих рисков стандарты тестирования более строгие, чем стандарты для кислотно-электролитных батарей, требующие как более широкого диапазона условий испытаний, так и дополнительных испытаний для конкретных батарей, а также существуют ограничения на транспортировку, налагаемые регулирующими органами по безопасности. Некоторые компании отзывали аккумуляторы, в том числе отзыв Samsung Galaxy Note 7 2016 года из-за возгорания аккумулятора.

Литий-ионные аккумуляторы имеют легковоспламеняющийся жидкий электролит. Неисправный аккумулятор может стать причиной серьезного пожара . Неисправные зарядные устройства могут повлиять на безопасность аккумулятора, поскольку они могут разрушить схему защиты аккумулятора. При зарядке при температуре ниже 0 °C отрицательный электрод элементов покрывается чистым литием, что может поставить под угрозу безопасность всей батареи.

Короткое замыкание аккумулятора приведет к его перегреву и возможному возгоранию. Дым от термического разгона в литий-ионном аккумуляторе легковоспламеняем и токсичен. Энергия огня (электрическая + химическая) в элементах из оксида кобальта составляет от 100 до 150 кДж/( А·ч ), большая часть которой химическая.

Примерно в 2010 году в энергосистемах некоторых самолетов вместо других химических элементов были использованы большие литий-ионные батареи; по состоянию на январь 2014 г. На пассажирском самолете Boeing 787, представленном в 2011 году, произошло как минимум четыре серьезных возгорания литий-ионных аккумуляторов или задымление, что не привело к катастрофам, но могло привести к этому. Рейс 6 авиакомпании UPS Airlines разбился в Дубае из-за самопроизвольного возгорания полезного груза, состоящего из аккумуляторов.

Для снижения пожароопасности исследовательские проекты направлены на разработку негорючих электролитов.

Повреждение и перегрузка

Если литий-ионный аккумулятор поврежден, раздавлен или подвергнут более высокой электрической нагрузке без защиты от перезаряда, могут возникнуть проблемы. Внешнее короткое замыкание может спровоцировать взрыв аккумулятора. Подобные инциденты могут произойти, когда литий-ионные аккумуляторы не утилизируются по соответствующим каналам, а выбрасываются вместе с другими отходами. То, как с ними обращаются компании по переработке отходов, может повредить их и вызвать пожары, что, в свою очередь, может привести к крупномасштабным пожарам. В 2023 году на швейцарских предприятиях по переработке мусора было зафиксировано двенадцать таких пожаров.

При перегреве или перезарядке литий-ионные аккумуляторы могут выйти из строя и разорваться. Во время термического выхода из-под контроля процессы внутренней деградации и окисления могут поддерживать температуру элемента выше 500 °C, что может привести к возгоранию вторичных горючих материалов, а также в крайних случаях привести к утечке, взрыву или возгоранию. Чтобы снизить эти риски, многие литий-ионные элементы (и аккумуляторные блоки) содержат отказоустойчивую схему, которая отключает батарею, когда ее напряжение выходит за пределы безопасного диапазона 3–4,2 В на элемент. или при перезарядке или разрядке. Этим проблемам подвержены литиевые аккумуляторные блоки, независимо от того, изготовлены ли они производителем или конечным пользователем и не имеют эффективных схем управления батареями. Плохо спроектированные или реализованные схемы управления батареями также могут вызвать проблемы; трудно быть уверенным в том, что какая-либо конкретная схема управления аккумулятором реализована правильно.

Пределы напряжения

Литий-ионные элементы подвержены нагрузкам в диапазонах напряжений, выходящих за пределы безопасных, от 2,5 до 3,65/4,1/4,2 или 4,35 В (в зависимости от компонентов элемента). Превышение этого диапазона напряжения приводит к преждевременному старению и угрозе безопасности из-за реактивных компонентов в элементах. При длительном хранении небольшое потребление тока схемой защиты может разрядить батарею до уровня ниже ее напряжения отключения; обычные зарядные устройства могут оказаться бесполезными, поскольку система управления батареями (BMS) может сохранить запись об «отказе» этой батареи (или зарядного устройства). Многие типы литий-ионных элементов нельзя безопасно заряжать при температуре ниже 0 °C. поскольку это может привести к нанесению лития на анод элемента, что может вызвать такие осложнения, как внутренние пути короткого замыкания.

Требуются другие функции безопасности. в каждой ячейке:

• Сепаратор отключения (при перегреве)
• Отрывной язычок (для внутреннего сброса давления)
• Вентиляция (сброс давления в случае сильного газовыделения)
• Тепловое прерывание (перегрузка по току/перезарядка/воздействие окружающей среды)

Эти функции необходимы, поскольку отрицательный электрод во время использования выделяет тепло, а положительный электрод может производить кислород. Однако эти дополнительные устройства занимают пространство внутри ячеек, добавляют точки отказа и могут необратимо вывести из строя ячейку при активации. Кроме того, эти особенности увеличивают затраты по сравнению с никель-металлогидридными батареями , для которых требуется только устройство рекомбинации водорода и кислорода и клапан резервного давления. Загрязнения внутри ячеек могут вывести из строя эти защитные устройства. Кроме того, эти функции не могут быть применены ко всем типам элементов, например, призматические сильноточные элементы не могут быть оснащены вентиляционным отверстием или тепловым прерывателем. Сильноточные элементы не должны выделять чрезмерное тепло или кислород, чтобы не произошел сбой, возможно, серьезный. Вместо этого они должны быть оснащены внутренними термопредохранителями, которые срабатывают до того, как анод и катод достигнут предела своей температуры.

Замена материала положительного электрода из оксида лития-кобальта в литий-ионных батареях на литий-металлофосфат, такой как литий-железо-фосфат (LFP), увеличивает количество циклов, срок хранения и безопасность, но снижает емкость. По состоянию на 2006 год эти более безопасные литий-ионные батареи в основном использовались в электромобилях и других аккумуляторах большой емкости, где безопасность имеет решающее значение. В 2016 году система хранения энергии на базе LFP была выбрана для установки в лодже Пайюнь на горе Нефрит (Юшань) (самый высокий домик на Тайване ). По состоянию на июнь 2024 года система все еще работала безопасно.

Напоминает

около 10 миллионов аккумуляторов Sony, использовавшихся в ноутбуках Dell , Sony , Apple , Lenovo , Panasonic , Toshiba , Hitachi , Fujitsu и Sharp В 2006 году было отозвано . Было обнаружено, что батареи подвержены внутреннему загрязнению металлическими частицами во время производства. В некоторых случаях эти частицы могут пробить сепаратор, вызвав опасное короткое замыкание.

Литий-кобальтовая батарея Boeing 787 Japan Airlines, загоревшаяся в 2013 году

Транспортный класс 9А: Литиевые батареи

По оценкам ИАТА более миллиарда литий-металлических и литий-ионных аккумуляторов. , ежегодно перевозится Некоторые виды литиевых батарей могут быть запрещены к перевозке на борту самолетов из-за опасности возгорания. Некоторые почтовые администрации ограничивают авиаперевозку (в том числе EMS ) литиевых и литий-ионных батарей как отдельно, так и установленных в оборудовании.

Негорючий электролит

В 2023 году в большинстве коммерческих литий-ионных аккумуляторов использовались алкилкарбонатные растворители для обеспечения образования границы раздела твердого электролита на отрицательном электроде. Поскольку такие растворители легко воспламеняются, проводятся активные исследования по замене их негорючими растворителями или добавлению средств пожаротушения . Еще одним источником опасности является гексафторфосфат -анион, который необходим для пассивации коллектора отрицательного тока, изготовленного из алюминия . Гексафторфосфат реагирует с водой и выделяет летучий и токсичный фторид водорода . Попытки заменить гексафторфосфат оказались менее успешными.

Цепочка поставок

Этот раздел представляет собой отрывок из цепочки поставок электромобилей . [ редактировать ]

Цепочка поставок электромобилей включает добычу и переработку сырья, а также производственные процессы, в ходе которых производятся аккумуляторы и другие компоненты для электромобилей .

В 1990-е годы Соединенные Штаты были крупнейшим в мире производителем литиевых минералов, на долю которых приходилось 1/3 общего объема производства. К 2010 году Чили сменила США на лидирующих позициях по добыче полезных ископаемых благодаря разработке литиевых рассолов в Салар-де-Атакама . К 2024 году Австралия и Китай присоединились к Чили и вошли в тройку крупнейших горнодобывающих компаний. Производство литий-ионных аккумуляторов также сильно сконцентрировано: в 2024 году 60% будет приходиться на Китай.

Воздействие на окружающую среду

Дополнительная информация: Воздействие литий-ионных батарей на окружающую среду.

См. Также: Литий § Проблемы окружающей среды

Добыча лития, никеля и кобальта, производство растворителей и побочных продуктов горнодобывающей промышленности представляют значительную опасность для окружающей среды и здоровья. Извлечение лития может быть фатальным для водных организмов из-за загрязнения воды. Известно, что он вызывает загрязнение поверхностных и питьевых вод, проблемы с дыханием, деградацию экосистем и ущерб ландшафту. Это также приводит к нерациональному потреблению воды в засушливых регионах (1,9 миллиона литров на тонну лития). Массовое образование побочных продуктов при экстракции лития также создает нерешенные проблемы, такие как большое количество отходов магния и извести.

Добыча лития ведется в Северной и Южной Америке, Азии, Южной Африке, Австралии и Китае.

Кобальт для литий-ионных аккумуляторов в основном добывается в Конго (см. также Горнодобывающая промышленность Демократической Республики Конго ).

Производство килограмма литий-ионной батареи требует около 67 мегаджоулей (МДж) энергии. Потенциал глобального потепления от производства литий-ионных батарей сильно зависит от источника энергии, используемого в горнодобывающей и производственной деятельности, и его трудно оценить, но одно исследование 2019 года оценило выбросы в 73 кг CO2-экв/кВтч. Эффективная переработка может значительно снизить выбросы углекислого газа от производства.

Твердые отходы и переработка

Основная статья: Утилизация аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторные элементы, включающие железо, медь, никель и кобальт, считаются безопасными для мусоросжигательных заводов и свалок . Эти металлы могут быть переработаны . обычно путем сжигания других материалов, но добыча полезных ископаемых, как правило, остается дешевле, чем переработка; переработка может стоить 3 доллара за кг, а в 2019 году переработке подвергалось менее 5% литий-ионных батарей. С 2018 года значительно увеличен выход вторичной переработки, а извлечение лития, марганца, алюминия, органических растворителей электролита и графита возможно в промышленных масштабах. Самый дорогой металл, участвующий в строительстве элемента, — кобальт. Литий дешевле, чем другие используемые металлы, и редко перерабатывается. но переработка может предотвратить будущий дефицит.

Накопление отходов аккумуляторов представляет собой техническую проблему и опасность для здоровья. Поскольку производство литий-ионных аккумуляторов сильно влияет на воздействие электромобилей на окружающую среду, разработка эффективных способов переработки отходов имеет решающее значение. Утилизация — это многоэтапный процесс, который начинается с хранения батарей перед утилизацией, затем следует ручное тестирование, разборка и, наконец, химическое разделение компонентов батареи. Повторное использование батареи предпочтительнее полной переработки, поскольку затрачивается меньше энергии в этом процессе . Поскольку эти батареи гораздо более реактивны, чем классические автомобильные отходы, такие как резина покрышек, складирование использованных батарей сопряжено со значительными рисками.

Пирометаллургическое восстановление

Пирометаллургический метод использует высокотемпературную печь для восстановления компонентов оксидов металлов в батарее до сплава Co, Cu, Fe и Ni. Это наиболее распространенный и коммерчески признанный метод переработки, который можно комбинировать с другими аналогичными батареями для повышения эффективности плавки и улучшения термодинамики . Металлические токосъемники облегчают процесс плавки, позволяя плавить целые элементы или модули одновременно. Продуктом этого метода является совокупность металлического сплава, шлака и газа. При высоких температурах полимеры, используемые для скрепления элементов батареи, сгорают, и металлический сплав может быть разделен гидрометаллургическим процессом на отдельные компоненты. Шлак может быть дополнительно очищен или использован в цементной промышленности. Этот процесс относительно безопасен, а экзотермическая реакция сгорания полимера снижает требуемую входную энергию. Однако при этом пластики, электролиты и соли лития будут потеряны.

Гидрометаллургическая рекультивация металлов

Этот метод предполагает использование водных растворов для удаления с катода нужных металлов. Самый распространенный реагент — серная кислота . Факторы, влияющие на скорость выщелачивания, включают концентрацию кислоты, время, температуру, соотношение твердой и жидкой фаз и восстановитель . Экспериментально доказано, что H ₂ O ₂ действует как восстановитель, ускоряя скорость выщелачивания за счет реакции:

2 LiCoO _{2 (тв)} + 3 H ₂ SO ₄ + H ₂ O ₂ → 2 CoSO _{4 (водн.)} + Li ₂ SO ₄ + 4 H ₂ O + O ₂

После выщелачивания металлы можно экстрагировать посредством реакций осаждения , контролируемых изменением уровня pH раствора. Кобальт, самый дорогой металл, можно затем восстановить в форме сульфата, оксалата, гидроксида или карбоната. [75] Совсем недавно методы переработки экспериментировали с прямым воспроизведением катода из выщелоченных металлов. В этих процедурах предварительно измеряются концентрации различных выщелоченных металлов, чтобы они соответствовали целевому катоду, а затем непосредственно синтезируются катоды.

Однако основные проблемы этого метода заключаются в том, что требуется большой объем растворителя и высокая стоимость нейтрализации. Хотя батарею легко измельчить, смешивание катода и анода в начале усложняет процесс, поэтому их тоже придется разделить. К сожалению, нынешняя конструкция аккумуляторов делает этот процесс чрезвычайно сложным, и в аккумуляторной системе с замкнутым контуром трудно отделить металлы. Измельчение и растворение могут происходить в разных местах.

Прямая переработка

Прямая переработка — это удаление катода или анода из электрода, их восстановление и последующее повторное использование в новой батарее. Смешанные оксиды металлов можно добавлять в новый электрод с минимальным изменением морфологии кристаллов. Этот процесс обычно включает добавление нового лития для восполнения потерь лития в катоде из-за деградации в результате циклирования. Катодные полосы получают из разобранных аккумуляторов, затем замачивают в НМП и подвергают обработке ультразвуком для удаления лишних отложений. Перед отжигом его обрабатывают гидротермально раствором, содержащим LiOH/Li ₂ SO ₄ .

Этот метод чрезвычайно эффективен для батарей на основе некобальта, поскольку сырье не составляет основную часть стоимости. Прямая переработка позволяет избежать трудоемких и дорогостоящих этапов очистки, что отлично подходит для недорогих катодов, таких как LiMn ₂ O ₄ и LiFePO ₄ . Для этих более дешевых катодов большая часть затрат, затраченной энергии и углеродного следа связана с производством, а не с сырьем. Экспериментально показано, что прямая переработка может воспроизвести свойства, аналогичные исходному графиту.

Недостаток способа заключается в состоянии вышедшего из строя аккумулятора. В случае, когда батарея относительно исправна, прямая переработка может дешево восстановить ее свойства. Однако для аккумуляторов с низким уровнем заряда прямая переработка может оказаться нерентабельной. Процесс также должен быть адаптирован к конкретному составу катода, и, следовательно, процесс должен быть настроен для одного типа батареи за раз. Наконец, в эпоху быстрого развития аккумуляторных технологий конструкция аккумулятора сегодня может стать нежелательной через десять лет, что сделает прямую переработку неэффективной.

Разделение физических материалов

Физическое разделение извлеченных материалов путем механического дробления и использования физических свойств различных компонентов, таких как размер частиц, плотность, ферромагнетизм и гидрофобность. Медный, алюминиевый и стальной корпус можно восстановить путем сортировки. Оставшиеся материалы, называемые «черной массой», состоящие из никеля, кобальта, лития и марганца, требуют вторичной обработки для восстановления.

Биологическая регенерация металлов

Для биологической регенерации металлов или биовыщелачивания в процессе используются микроорганизмы для селективного расщепления оксидов металлов. Затем переработчики смогут восстановить эти оксиды для производства наночастиц металлов. Хотя биовыщелачивание успешно применяется в горнодобывающей промышленности, этот процесс все еще находится на стадии зарождения в сфере переработки отходов, и существует множество возможностей для дальнейших исследований.

Влияние на права человека

Добыча сырья для литий-ионных аккумуляторов может представлять опасность для местного населения, особенно коренного населения, проживающего на суше.

Кобальт, добываемый в Демократической Республике Конго, часто добывается рабочими, использующими ручные инструменты с минимальными мерами предосторожности, что приводит к частым травмам и смертельным случаям. Загрязнение от этих шахт подвергло людей воздействию токсичных химикатов, которые, по мнению представителей здравоохранения, вызывают врожденные дефекты и проблемы с дыханием. Правозащитники утверждали, и журналистские расследования подтвердили это: что детский труд . на этих шахтах используется

Исследование отношений между компаниями по добыче лития и коренными народами в Аргентине показало, что государство, возможно, не защищало право коренных народов на свободное предварительное и осознанное согласие , и что добывающие компании обычно контролировали доступ сообщества к информации и устанавливали условия для обсуждения проекты и распределение выгод.

Разработка литиевого рудника Такер-Пасс в Неваде, США, вызвала протесты и судебные иски со стороны нескольких коренных племен, которые заявили, что им не было предоставлено свободное предварительное и осознанное согласие и что проект угрожает культурным и священным местам. Связи между добычей ресурсов и пропавшими без вести и убитыми женщинами из числа коренного населения также побудили местные сообщества выразить обеспокоенность тем, что проект создаст риски для женщин из числа коренного населения. Протестующие оккупируют место предполагаемой шахты с января 2021 года.

Исследовать

Основная статья: Исследования литий-ионных батарей

Исследователи активно работают над улучшением удельной мощности, безопасности, долговечности цикла (жизни батареи), времени перезарядки, стоимости, гибкости и других характеристик, а также методов исследования и использования этих батарей. Полностью твердотельные батареи исследуются как прорыв в технологических барьерах. В настоящее время ожидается, что твердотельные аккумуляторы станут наиболее перспективными батареями следующего поколения, и различные компании работают над их популяризацией.

См. также

• Безанодный аккумулятор
• Лезвие батареи
• Борат оксалат
• Сравнение коммерческих типов аккумуляторов
• Европейский аккумуляторный альянс
• Проточная батарея
• Нанопроволочная батарея
• Натрий-ионный аккумулятор
• Твердотельный аккумулятор
• Тонкопленочный литий-ионный аккумулятор
• VRLA аккумулятор
• Последний

Источники

• Андреа, Давиде (2010). Системы управления батареями для больших литий-ионных аккумуляторов . Артех Хаус. п. 234. ИСБН  978-1608071043 . Архивировано из оригинала 21 августа 2013 года . Проверено 3 июня 2013 г.
• Зима, М; Бродд, Р.Дж. (2004). «Что такое батареи, топливные элементы и суперконденсаторы?» . Химические обзоры . 104 (10): 4245–4269. дои : 10.1021/cr020730k . ПМИД   15669155 .

Внешние ссылки

• Литий-ионная батарея в Британской энциклопедии .
• Список крупнейших в мире заводов по производству литий-ионных аккумуляторов (2020 г.) .
• Безопасность хранения энергии в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) .
• Новые более эффективные литий-ионные аккумуляторы The New York Times . Сентябрь 2021 г.
• Инновации NREL повышают безопасность аккумуляторов электромобилей , NREL , октябрь 2015 г.
• Механизмы деградации и прогноз срока службы литий-ионных аккумуляторов , NREL , июль 2015 г.
• Влияние экстремальных температур на литий-ионные аккумуляторы большого формата для транспортных средств , NREL , март 2013 г.