Del 1: Oprindelse og tidlig udforskning af teknologi
1. Prototypen af det primære lithiumbatteri
I 1950'erne begyndte det amerikanske forsvarsministerium og NASA at forske i høj-energi-densitetsbatterier ved hjælp af metalfluorider som katode og lithiummetal som anode. Imidlertid førte lithiumdendritdannelse til ustabilitet i ydeevnen. Et vigtigt konceptuelt fremskridt kom i 1962, da et team hos Lockheed foreslog et ikke-vandigt lithiumelektrolytsystem, der lagde grunden til fremtidig udvikling.
2. Gennembrud inden for genopladelige lithium-ion-batterier
I 1972 udviklede Stanley Whittingham hos ExxonMobil det første funktionelle genopladelige lithiumbatteri. Den brugte lagdelt titandisulfid (TiS₂) som katode og lithiummetal som anode, der fungerede ved omkring 2,4V-væsentligt højere end nutidige nikkel-cadmiumbatterier. Lithiummetalanoden havde dog en tendens til at danne dendritter under cykling, hvilket skabte en sikkerhedsrisiko, der forhindrede kommercialisering.
3.Innovation i katodematerialer
Et stort spring kom i 1980 med John B. Goodenoughs teams opdagelse af lithiumkoboltoxid (LiCoO₂) som katodemateriale. Dette materiale muliggjorde en cellespænding på 4V og fordoblede groft energitætheden. Selvom dette gennembrud etablerede grundlaget for moderne høj-energi-batterier, var det stadig afhængigt af en lithiummetalanode, hvilket efterlod sikkerhedsproblemer uløste.
Del 2: Nøgleinnovation
1 Udskiftning af anodematerialet
Det kritiske skridt mod sikre genopladelige batterier var at erstatte lithiummetal. I 1982 opdagede Agarwal og Selman ved Illinois Institute of Technology interkalationen af lithiumioner til grafit. Med udgangspunkt i dette skabte forskere ved Bell Labs det første lithium-ionbatteri ved hjælp af en grafitanode, som undertrykte dendritvækst. I 1985 samlede Akira Yoshino en praktisk prototype ved hjælp af petroleumskoks (et kulstofmateriale, der ligner grafit) som anode og lithiumkoboltoxid som katode. Denne celle muliggjorde stabil pendling af lithiumioner mellem elektroder, og Yoshino opfandt officielt udtrykket "lithium-ionbatteri."
2. Gennembrud i elektrolytter
En sidste større hindring-cyklusliv-blev overvundet i 1987, da et Sony-team opdagede, at en ethylencarbonat (EC)-baseret elektrolyt muliggjorde dannelsen af en stabil Solid Electrolyte Interphase (SEI) film på grafitanodeoverfladen. Dette beskyttende lag forhindrer kontinuerlig elektrolytnedbrydning. Ved at kombinere disse innovationer kommer Sony verdens første lithium-ion-batteri i 1991. Det indeholdt en lithium-koboltoxid-katode og en grafitanode, og dens hurtige indførelse i videokameraer og mobiltelefoner indledte en æra med slank, bærbar elektronik.
Følgende er en tabel:
3,Tidslinje for udvikling af lithium-ionbatteri:
| år | tilfælde | Nøglepersonale/virksomhed | betydning |
|---|---|---|---|
| 1912 | Konceptet med lithiummetalbatterier blev foreslået. | Gilbert N. Lewis | Den tidligste forskning om gennemførligheden af lithium-batterier |
| 1970S | Kommercialisering af primære lithiumbatterier (engangs) | Exxon, Moli Energy | Li/MnO₂, Li/SOCl₂ osv. er begyndt at blive brugt i stor skala. |
| 1980 | Konceptet med et "gyngestolsbatteri" er blevet foreslået: lithiumioner indsætter og udtrækker gentagne gange mellem de positive og negative elektroder. | Rachid Yazami (Lithium-ioner er indskudt i den negative elektrodegrafit) | Lægger det teoretiske grundlag for moderne lithium-ion-batterier |
| 1983 | Genopladelige og afladelige lithium-iongrafitanoder opnår | Rachid Yazami | Løste problemet med lithiummetaldendrit |
| 1985 | John B. Goodenough foreslog den lagdelte oxidkatode (LiCoO₂). | John B. Godt nok | Katodematerialer med høj-spænding (~4V), høj-kapacitet fremkommer |
| 1989 | Første prototype af LiCoO₂/grafit lithium-ion-batteri opnået | Akira Yoshino | En prototype på et virkelig sikkert og genopladeligt lithium-ion-batteri |
| 1991 | Sony lancerer verdens første kommercielt tilgængelige lithium-ion-batteri. | Sony + Asahi Kasei | Med en kapacitet på 800mAh og en spænding på 3,6V blev den indbygget i Sony CCD-TR1-videokameraet, hvilket indvarslede en ny æra inden for forbrugerelektronik. |
| 1996 | Opfindelse af lithiumjernphosphat (LiFePO4) katodemateriale | John B. Goodenough Team | Sikrere og længere levetid, men med lavere spænding (3,2V). |
| 1997 | Kommercialisering af lithium polymer batterier | Bellcore | Kolloide elektrolytter kan laves til ultra-tynde bløde pakker. |
| 2001 | Ternære materialer (LiNiCoMnO₂ / NCM) begynder masseproduktion | Flere virksomheder | Højere energitæthed, der gradvist erstatter lithium cobaltoxid |
| 2008 | Tesla Roadster er den første til at bruge 18650 lithium-ion-batterier (Panasonic) i store mængder. | Panasonic + Tesla | Indledning af elektriske køretøjers æra (sektion 6876, 18650) |
| 2011 | Høj-nikkel ternær (NCM811) udviklet med succes | Flere virksomheder | Energitætheden overstiger 250Wh/kg |
| 2015 | Silicium-carbonanoder begynder små-applikationer | Amprius et al. | The negative electrode capacity has been increased from 360mAh/g to >420mAh/g. |
| 2019 | John B. Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino, Nobelprisen i kemi | - | Den officielle anerkendelse af bidragene fra lithium-ion-batterier til menneskeheden |
| 2020 | CATL Releases Module-Gratis CTP-teknologi | CATL | Mængdeudnyttelsesgraden steg med 15-20%, omkostningerne faldt |
| 2021 | BYD Blade Battery (ultra-lang lithiumjernfosfat) går i masseproduktion | BYD | Ultra-lange battericeller med en længde på mere end 1 m giver sikkerhed og høj volumetrisk energitæthed. |
| 2022 | Det første køretøj, der har et semi-solid-batteri (NIO ET7 150kWh-pakke) | welion | Energitæthed 360Wh/kg, overgang til alle-fast tilstand |
| 2023 | Kirin-batteri (CATL) + Solidified Battery (GAC) frigivet | CATL / GAC | Monomerernes energitætheder er henholdsvis 255Wh/kg og 400Wh/kg (størknet i laboratoriet). |
| 2024 | Det første år med masseproduktion af fast-/semi{1}}fast-batterier: SAIC Smart Battery L6 (Qingtao), GAC (sulfid-baseret) osv. | Flere virksomheder | Energitæthed 350-400Wh/kg, 600+km rækkevidde efter 10 minutters opladning. |
| 2025 | Adskillige 500Wh/kg-klasse solid-batterier har annonceret masseproduktionsplaner for 2026-2027. | Toyota, CATL, BYD, QuantumScape osv. | Med en rækkevidde på 1000-1500 km er enkeltcelle-batterier blevet en realitet, der indvarsler "post-lithium-ion"-æraen for lithium-ion-batterier. |
4,Energitæthedsudviklingstabel:
| år | Almindelige katodematerialer | Energitæthed (Wh/kg) | Repræsentative modeller/produkter |
|---|---|---|---|
| 1991 | LiCoO₂ | 90-120 | Sony kamera |
| 2008 | LiCoO₂/NCA | 180-220 | Tesla Roadster |
| 2018 | NCM523/622 | 220-260 | Tesla Model 3 |
| 2021 | NCM811/Høj nikkel | 260-300 | ET7, L9 |
| 2023 | Høj nikkel + silicium-kulstof | 300-350 | Kirin batteri, Tesla 4680 |
| 2025 | Halv-fast/solid | 350-500+ | Zhiji L6, Toyota solid-prototypekøretøj |
