Partea 1: Originile și explorarea timpurie a tehnologiei
1.Prototipul bateriei primare cu litiu
În anii 1950, Departamentul de Apărare al SUA și NASA au început să cerceteze baterii cu densitate mare-energie-, folosind fluoruri metalice ca catod și litiu metalic ca anod. Cu toate acestea, formarea dendritei de litiu a dus la instabilitatea performanței. Un progres conceptual cheie a avut loc în 1962, când o echipă de la Lockheed a propus un sistem de electroliți cu litiu ne-apos, punând bazele dezvoltării viitoare.
2. Revoluție în bateriile reîncărcabile cu litiu-ion
În 1972, Stanley Whittingham de la ExxonMobil a dezvoltat prima baterie funcțională reîncărcabilă cu litiu. A folosit disulfură de titan stratificat (TiS₂) ca catod și litiu metalic ca anod, funcționând la aproximativ 2,4 V-semnificativ mai mare decât bateriile contemporane cu nichel-cadmiu. Cu toate acestea, anodul metalic de litiu a avut tendința de a forma dendrite în timpul ciclării, creând un risc de siguranță care a împiedicat comercializarea.
3.Inovație în materialele catodice
Un salt major a venit în 1980 odată cu descoperirea de către echipa lui John B. Goodenough a oxidului de litiu cobalt (LiCoO₂) ca material catod. Acest material a permis o tensiune celulară de 4V și a dublat aproximativ densitatea de energie. Deși această descoperire a stabilit baza pentru bateriile moderne de-energie-înaltă densitate, s-a bazat în continuare pe un anod cu litiu metalic, lăsând problemele de siguranță nerezolvate.
Partea 2: Inovație cheie
1 Înlocuirea materialului anodului
Pasul critic către bateriile reîncărcabile sigure a fost înlocuirea litiului metalic. În 1982, Agarwal și Selman de la Institutul de Tehnologie din Illinois au descoperit intercalarea ionilor de litiu în grafit. Pe baza acestui fapt, cercetătorii de la Bell Labs au creat prima baterie litiu-ion folosind un anod de grafit, care a suprimat creșterea dendritei. În 1985, Akira Yoshino a asamblat un prototip practic folosind cocs de petrol (un material de carbon similar cu grafitul) ca anod și oxid de litiu cobalt ca catod. Această celulă a permis transferul stabil al ionilor de litiu între electrozi, iar Yoshino a inventat oficial termenul „baterie litiu-ion”.
2. Revoluție în electroliți
Un ultim obstacol major-ciclul de viață-a fost depășit în 1987, când o echipă Sony a descoperit că un electrolit pe bază de carbonat de etilenă (EC)-a permis formarea unei pelicule stabile cu interfaza de electrolit solid (SEI) pe suprafața anodului de grafit. Acest strat protector previne descompunerea continuă a electroliților. Combinând aceste inovații, Sony a comercializat prima baterie litiu-ion din lume în 1991. Dispunea de un catod de oxid de cobalt de litiu și un anod de grafit, iar adoptarea sa rapidă în camerele video și telefoanele mobile a inaugurat era electronicelor subțiri și portabile.
Următorul este un tabel:
3,Cronologia dezvoltării bateriilor litiu-ion:
| ani | eveniment | Personal cheie/Companie | semnificaţie |
|---|---|---|---|
| 1912 | A fost propus conceptul de baterii cu litiu metal. | Gilbert N. Lewis | Cele mai vechi cercetări privind fezabilitatea bateriilor cu litiu |
| 1970S | Comercializarea bateriilor primare cu litiu (de unică folosință) | Exxon, Moli Energy | Li/MnO₂, Li/SOCl2, etc., au început să fie utilizate pe scară largă. |
| 1980 | A fost propus conceptul de „baterie balansoar”: ionii de litiu se introduc și se extrag în mod repetat între electrozii pozitivi și negativi. | Rachid Yazami (ionii de litiu sunt intercalați în grafitul electrodului negativ) | Punerea bazei teoretice pentru bateriile moderne cu litiu-ion |
| 1983 | Anozii de grafit cu litiu-ion reîncărcabile și descărcabile realizează | Rachid Yazami | S-a rezolvat problema dendritelor cu litiu metalic |
| 1985 | John B. Goodenough a propus catodul de oxid stratificat (LiCoO₂). | John B. Goodenough | Apar materiale catodice de înaltă-tensiune (~4V), de-capacitate mare |
| 1989 | Primul prototip de baterie LiCoO₂/grafit litiu-ion realizat | Akira Yoshino | Un prototip de baterie cu adevărat sigură și reîncărcabilă litiu-ion |
| 1991 | Sony lansează prima baterie litiu-ion disponibilă comercial din lume. | Sony + Asahi Kasei | Cu o capacitate de 800 mAh și o tensiune de 3,6 V, a fost încorporat în camera video Sony CCD-TR1, inaugurând o nouă eră a electronicelor de larg consum. |
| 1996 | Invenția materialului catodic cu fosfat de litiu și fier (LiFePO₄). | Echipa John B. Goodenough | Durată de viață mai sigură și mai lungă, dar cu tensiune mai mică (3,2 V). |
| 1997 | Comercializarea bateriilor cu litiu polimer | Bellcore | Electroliții coloidali pot fi transformați în pachete moi ultra-subțiri. |
| 2001 | Materialele ternare (LiNiCoMnO₂ / NCM) încep producția de masă | Companii multiple | Densitate energetică mai mare, înlocuind treptat oxidul de litiu cobalt |
| 2008 | Tesla Roadster este primul care folosește baterii litiu-18650 (Panasonic) în cantități mari. | Panasonic + Tesla | Inaugurarea erei vehiculelor electrice (Secțiunea 6876, 18650) |
| 2011 | Ternar cu-nichel ridicat (NCM811) dezvoltat cu succes | Companii multiple | Densitatea de energie depășește 250Wh/kg |
| 2015 | Anozii de siliciu-carbon încep aplicații-la scară mică | Amprius et al. | The negative electrode capacity has been increased from 360mAh/g to >420 mAh/g. |
| 2019 | John B. Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino, Premiul Nobel pentru Chimie | - | Recunoașterea oficială a contribuțiilor bateriilor litiu-ion la umanitate |
| 2020 | CATL lansează modulul-Tehnologie CTP gratuită | CATL | Rata de utilizare a volumului a crescut cu 15-20%, costul a scăzut |
| 2021 | Bateria BYD Blade (fosfat de fier litiu ultra-lung) intră în producția de masă | BYD | Celulele bateriei ultra-lungi cu o lungime mai mare de 1 m oferă siguranță și o densitate de energie volumetrică ridicată. |
| 2022 | Primul vehicul care are o baterie semi-solidă- (pachet NIO ET7 150kWh) | welion | Densitate de energie 360Wh/kg, trecerea la toate-starea solidă |
| 2023 | Baterie Kirin (CATL) + Baterie solidificată (GAC) lansată | CATL / GAC | Densitățile de energie ale monomerilor sunt de 255Wh/kg și respectiv 400Wh/kg (solidificată în laborator). |
| 2024 | Primul an de producție în masă de baterii cu stare solidă-/semi-solid-: SAIC Smart Battery L6 (Qingtao), GAC (pe bază de-sulfură) etc. | Companii multiple | Densitate de energie 350-400Wh/kg, interval de 600+km după 10 minute de încărcare. |
| 2025 | Mai multe baterii cu stare solidă de clasă de 500Wh/kg-clasa-au anunțat planuri de producție în masă pentru 2026-2027. | Toyota, CATL, BYD, QuantumScape etc. | Cu o autonomie de 1000-1500 km, bateriile cu o singură celulă-au devenit o realitate, ducând la începutul erei „post-litiu-ion pentru bateriile litiu-ion. |
4,Tabel de evoluție a densității energetice:
| ani | Materiale catodice principale | Densitatea energiei (Wh/kg) | Modele/produse reprezentative |
|---|---|---|---|
| 1991 | LiCoO₂ | 90-120 | Camera Sony |
| 2008 | LiCoO₂/NCA | 180-220 | Tesla Roadster |
| 2018 | NCM523/622 | 220-260 | Tesla Model 3 |
| 2021 | NCM811/Nichel ridicat | 260-300 | ET7, L9 |
| 2023 | Nivel ridicat de nichel + siliciu-carbon | 300-350 | Baterie Kirin, Tesla 4680 |
| 2025 | Semi-solid/solid | 350-500+ | Zhiji L6, vehicul prototip Toyota cu stare solidă- |
