Del 1: Ursprung och tidig utforskning av teknik
1. Prototypen av det primära litiumbatteriet
På 1950-talet började det amerikanska försvarsdepartementet och NASA forska om hög-energi-batterier med metallfluorider som katod och litiummetall som anod. Men bildning av litiumdendrit ledde till prestationsinstabilitet. Ett viktigt konceptuellt framsteg kom 1962 när ett team på Lockheed föreslog ett icke-vattenhaltigt litiumelektrolytsystem, vilket lade grunden för framtida utveckling.
2. Genombrott för uppladdningsbara litium-jonbatterier
1972 utvecklade Stanley Whittingham på ExxonMobil det första funktionella uppladdningsbara litiumbatteriet. Den använde skiktad titandisulfid (TiS₂) som katod och litiummetall som anod, med cirka 2,4V-betydligt högre än dagens nickel-kadmiumbatterier. Litiummetallanoden tenderade dock att bilda dendriter under cykling, vilket skapade en säkerhetsrisk som hindrade kommersialisering.
3.Innovation i katodmaterial
Ett stort steg kom 1980 med John B. Goodenoughs teams upptäckt av litiumkoboltoxid (LiCoO₂) som katodmaterial. Detta material möjliggjorde en cellspänning på 4V och fördubblade ungefär energitätheten. Även om detta genombrott lade grunden för moderna hög-energi-batterier, förlitade det sig fortfarande på en litiummetallanod, vilket lämnade säkerhetsproblem olösta.
Del 2: Nyckelinnovation
1 Byte av anodmaterial
Det kritiska steget mot säkra uppladdningsbara batterier var att ersätta litiummetall. 1982 upptäckte Agarwal och Selman vid Illinois Institute of Technology interkaleringen av litiumjoner till grafit. Med utgångspunkt i detta skapade forskare vid Bell Labs det första litium-jonbatteriet med en grafitanod, som dämpade dendrittillväxt. 1985 satte Akira Yoshino ihop en praktisk prototyp med petroleumkoks (ett kolmaterial som liknar grafit) som anod och litiumkoboltoxid som katod. Denna cell möjliggjorde stabil överföring av litiumjoner mellan elektroderna, och Yoshino myntade officiellt termen "litium-jonbatteri."
2. Genombrott i elektrolyter
Ett sista stort hinder-cykellivslängd-övervanns 1987 när ett Sony-team upptäckte att en etylenkarbonat (EC)-baserad elektrolyt möjliggjorde bildandet av en stabil Solid Electrolyte Interphase (SEI) film på grafitanodens yta. Detta skyddande skikt förhindrar kontinuerlig elektrolytnedbrytning. Genom att kombinera dessa innovationer kommersialiserade Sony världens första litium-jonbatteri 1991. Det innehöll en litiumkoboltoxidkatod och en grafitanod, och dess snabba introduktion i videokameror och mobiltelefoner inledde en tid präglad av tunn, bärbar elektronik.
Följande är en tabell:
3,Tidslinje för utveckling av litium-jonbatteri:
| år | händelse | Nyckelpersonal/företag | betydelse |
|---|---|---|---|
| 1912 | Konceptet med litiummetallbatterier föreslogs. | Gilbert N. Lewis | Den tidigaste forskningen om genomförbarheten av litiumbatterier |
| 1970S | Kommersialisering av primära litiumbatterier (engångsbatterier) | Exxon, Moli Energy | Li/MnO2, Li/SOCl2, etc., har börjat användas i stor skala. |
| 1980 | Konceptet med ett "gungstolsbatteri" har föreslagits: litiumjoner förs in och extraherar upprepade gånger mellan de positiva och negativa elektroderna. | Rachid Yazami (litiumjoner är inlagda i den negativa elektrodgrafiten) | Lägger den teoretiska grunden för moderna litium-jonbatterier |
| 1983 | Uppladdningsbara och urladdningsbara litium-jongrafitanoder uppnår | Rachid Yazami | Löste problemet med litiummetalldendrit |
| 1985 | John B. Goodenough föreslog den skiktade oxidkatoden (LiCoO₂). | John B. Goodenough | Katodmaterial med hög-spänning (~4V), hög-kapacitet framträder |
| 1989 | Första prototypen av LiCoO₂/grafitlitium-jonbatteri uppnådd | Akira Yoshino | En prototyp av ett verkligt säkert och laddningsbart litium-jonbatteri |
| 1991 | Sony lanserar världens första kommersiellt tillgängliga litium-jonbatteri. | Sony + Asahi Kasei | Med en kapacitet på 800mAh och en spänning på 3,6V, integrerades den i Sony CCD-TR1-videokameran, vilket inledde en ny era av hemelektronik. |
| 1996 | Uppfinning av katodmaterial av litiumjärnfosfat (LiFePO4). | John B. Goodenough Team | Säkrare och längre livslängd, men med lägre spänning (3,2V). |
| 1997 | Kommersialisering av litiumpolymerbatterier | Bellcore | Kolloidala elektrolyter kan göras till ultra-tunna mjuka förpackningar. |
| 2001 | Ternära material (LiNiCoMnO₂ / NCM) börjar massproduktion | Flera företag | Högre energitäthet, som gradvis ersätter litiumkoboltoxid |
| 2008 | Tesla Roadster är den första som använder 18650 litium-jonbatterier (Panasonic) i stora mängder. | Panasonic + Tesla | Inledning av elektriska fordons era (sektion 6876, 18650) |
| 2011 | Hög-nickel ternär (NCM811) har utvecklats framgångsrikt | Flera företag | Energitätheten överstiger 250Wh/kg |
| 2015 | Kisel-kolanoder börjar 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, Nobelpriset i kemi | - | Det officiella erkännandet av bidragen från litium-jonbatterier till mänskligheten |
| 2020 | CATL Releases Module-Gratis CTP-teknik | CATL | Volymutnyttjandegraden ökade med 15-20%, kostnaden minskade |
| 2021 | BYD Blade Battery (ultra-långt litiumjärnfosfat) går in i massproduktion | BYD | Ultra-långa battericeller med en längd över 1 m erbjuder säkerhet och hög volymetrisk energitäthet. |
| 2022 | Det första fordonet som har ett halv-solid-batteri (NIO ET7 150kWh-paket) | welion | Energitäthet 360Wh/kg, övergång till all-solid state |
| 2023 | Kirin-batteri (CATL) + Solidified Battery (GAC) släppt | CATL / GAC | Monomerernas energitätheter är 255Wh/kg respektive 400Wh/kg (stelnat i laboratoriet). |
| 2024 | Det första året av massproduktion av solid-/semi{1}}solid-batterier: SAIC Smart Battery L6 (Qingtao), GAC (sulfid-baserad), etc. | Flera företag | Energitäthet 350-400Wh/kg, 600+km räckvidd efter 10 minuters laddning. |
| 2025 | Flera 500Wh/kg-klass solid-batterier har tillkännagett massproduktionsplaner för 2026-2027. | Toyota, CATL, BYD, QuantumScape, etc. | Med en räckvidd på 1 000-1 500 km har encelliga-batterier blivit verklighet, vilket inleder "post-litium-jon"-eran för litiumjonbatterier. |
4,Tabell för utveckling av energidensitet:
| år | Vanliga katodmaterial | Energitäthet (Wh/kg) | Representativa modeller/produkter |
|---|---|---|---|
| 1991 | LiCoO₂ | 90-120 | Sony kamera |
| 2008 | LiCoO₂/NCA | 180-220 | Tesla Roadster |
| 2018 | NCM523/622 | 220-260 | Tesla modell 3 |
| 2021 | NCM811/Hög nickel | 260-300 | ET7, L9 |
| 2023 | Högt nickel + kisel-kol | 300-350 | Kirin batteri, Tesla 4680 |
| 2025 | Halv-solid/solid | 350-500+ | Zhiji L6, Toyota solid-prototypfordon |
