Før du går videre til lesing, må du telle hvor mange enheter med batterier som er i nærheten av deg innenfor en radius på flere meter. Sikkert du vil se en smarttelefon, nettbrett, smartklokke, fitness tracker, laptop, trådløs mus? Alle disse enhetene inneholder litium-ion-batterier - oppfinnelsen deres kan betraktes som en av de viktigste utviklingen innen energifeltet.
Lette, høykapasitet og kompakte litium-ion-batterier har drevet en bom i bærbar elektronikk som tidligere var umulig. Det er bare det at dingsene har gjort et fantastisk teknologisk sprang de siste 30 årene, og moderne litium-ion-batterier kan nesten ikke skilles fra de første produksjonsmodellene på begynnelsen av 1990-tallet. Hvem og hvordan oppfant litium-ion oppladbare batterier, hvilke forbindelser brukes i dem, og er det en verdensomspennende konspirasjon mot "evige" batterier? La oss fortelle.
Legenden om det første batteriet
Det gikk kanskje to årtusener mellom det første forsøket på å produsere elektrisitet med kjemiske midler og opprettelsen av litium-ion-batterier. Det er en ubekreftet gjetning om at den første menneskeskapte galvaniske cellen i menneskehetens historie var "Bagdad-batteriet", som ble funnet i 1936 nær Bagdad av arkeolog Wilhelm König. Et funn fra det 2. til 4. århundre f. Kr. e., er et jordfartøy der det er en kobbersylinder og en jernstang, hvor mellomrommet kan fylles med "elektrolytt" - syre eller alkali. Moderne gjenoppbygging av funnet har vist at når man fyller et kar med sitronsaft, kan man oppnå en spenning på opptil 0,4 volt.
Bagdad-batteriet er ganske likt et bærbart batteri. Eller en papyrussak?
Hva kan "Bagdad-batteriet" brukes til hvis det var et par tusen år igjen før oppdagelsen av elektrisitet? Kanskje ble den brukt til å påføre gull nøyaktig på statuetter ved å galvanisere - strømmen og spenningen fra "batteriet" er nok for dette. Dette er imidlertid bare en teori, fordi ingen bevis for bruk av elektrisitet og nettopp dette "batteriet" fra eldgamle folk har nådd oss: På den tiden ble forgylling anvendt ved sammenslåing, og det uvanlige fartøyet i seg selv kunne like gjerne vært bare en beskyttet beholder for ruller.
Liten smellteori
Salgsfremmende video:
Det russiske ordtaket “Det ville ikke være noen lykke, men ulykke hjalp” er den beste måten å illustrere fremdriften i arbeidet med litium-ion-batterier. Uten en uventet og ubehagelig hendelse, kunne utviklingen av nye batterier bli forsinket i flere år.
Tilbake på 1970-tallet brukte britiske Stanley Whittingham, som jobbet for drivstoff- og energiselskapet Exxon, en titansulfidanode og en litiumkatode for å lage et oppladbart litiumbatteri. Det første oppladbare litiumbatteriet viste tålelige strøm- og spenningsindikatorer, det eksploderte bare noen ganger og forgiftet de rundt det med gass: titandisulfid, når det var i kontakt med luft, frigjorde hydrogensulfid, som i det minste er ubehagelig å puste, og i det minste farlig. I tillegg var titan veldig dyrt til enhver tid, og på 1970-tallet var prisen på titandisulfid omtrent 1000 dollar per kilo (tilsvarer 5000 dollar i vår tid). For ikke å nevne det faktum at metallisk litium brenner i luften. Så Exxon snudde Whittinghams prosjekt fra skadelig måte.
I 1978 forsket Koichi Mizushima med doktorgrad i fysikk ved University of Tokyo da han fikk en invitasjon fra Oxford om å bli med John Goodenoughs team i jakten på nye materialer for batterianoder. Det var et veldig lovende prosjekt, siden potensialet til litiumkraftkilder allerede var kjent, men det var ikke mulig å temme det lunefulle metallet på noen måte - nylige eksperimenter fra Whittingham viste at starten på masseproduksjon av de ettertraktede litium-ion-batteriene fortsatt var langt borte.
Forsøksbatteriene brukte en litiumkatode og en sulfidanode. Overlegenheten av sulfider i forhold til andre materialer i anodene satte retningen for Mizushima og hans kolleger. Forskere bestilte en sulfidproduksjonsovn på stedet i laboratoriet for å eksperimentere raskere med forskjellige forbindelser. Arbeidet med komfyren endte ikke bra: en dag eksploderte det og forårsaket brann. Hendelsen tvang forskerteamet til å vurdere planene sine på nytt: kanskje sulfider, til tross for effektiviteten, ikke var det beste valget. Forskere har forskjøvet oppmerksomheten mot oksider, som var mye tryggere å syntetisere.
Etter mange tester med forskjellige metaller, inkludert jern og mangan, fant Mizushima at litiumkoboltoksid presterte best. Imidlertid må det brukes annerledes enn slik teamet fra Goodenough tidligere hadde antatt - å lete ikke etter et materiale som absorberer litiumioner, men etter et materiale som gir opp litiumioner mest villig. Kobolt var også bedre egnet enn andre fordi den oppfyller alle sikkerhetskrav og også øker cellespenningen til 4 volt, det vil si dobbelt så mye sammenlignet med tidligere versjoner av batterier.
Bruken av kobolt var det viktigste, men ikke det siste trinnet i utviklingen av litium-ion-batterier. Etter å ha taklet ett problem, ble forskere møtt med et annet: strømtettheten var for lav til at bruken av litium-ion-celler kunne være økonomisk rettferdiggjort. Og teamet som gjennomførte ett gjennombrudd, gjorde det andre: Når tykkelsen på elektrodene ble redusert til 100 mikron, var det mulig å øke strømstyrken til nivået for andre typer batterier, mens den hadde doblet spenning og kapasitet.
Første kommersielle trinn
Historien om oppfinnelsen av litium-ion-batterier slutter ikke der. Til tross for oppdagelsen av Mizushima, hadde Goodenough-teamet ennå ikke en prøve klar for masseproduksjon. På grunn av bruken av metallisk litium i katoden, under lading av batterier, returnerte litiumioner til anoden, ikke i et jevnt lag, men i dendritter - avlastningskjeder, som, voksende, forårsaket kortslutning og fyrverkeri.
I 1980 oppdaget den marokkanske forskeren Rachid Yazami at grafitt gjør en utmerket jobb med å være en katode, samtidig som den er helt brannsikker. Men de organiske elektrolyttene som eksisterte på den tiden, spaltet raskt ved kontakt med grafitt, så Yazami erstattet dem med en solid elektrolytt. Yazamis grafittkatode ble inspirert av oppdagelsen av ledningsevnen til polymerer av professor Hideki Shirakawa, som han fikk Nobelprisen for kjemi for. Og grafittkatoden Yazami brukes fremdeles i de fleste litium-ion-batterier.
Setter vi i produksjon? Og igjen nei! Det tok ytterligere 11 år, forskere forbedret batterisikkerheten, økte spenningen, eksperimenterte med forskjellige katodematerialer før det første litium-ion-batteriet ble i salg.
Den kommersielle designen ble utviklet av Sony og den japanske kjemiske giganten Asahi Kasei. Det var batteriet til Sony CCD-TR1 amatørfilmvideokamera. Den tålte 1000 ladesykluser, og gjenværende kapasitet etter slik slitasje var fire ganger høyere enn for et nikkel-kadmiumbatteri av samme type.
Kobolt snublestein
Før Koichi Mizushimas oppdagelse av litium-koboltoksid var kobolt ikke et veldig etterspurt metall. Dens viktigste forekomster ble funnet i Afrika i staten som nå er kjent som Den demokratiske republikken Kongo. Kongo er den største leverandøren av kobolt - 54% av dette metallet er utvunnet her. På grunn av den politiske uroen i landet på 1970-tallet steg prisen på kobolt med 2000%, men kom senere tilbake til de tidligere verdiene.
Høy etterspørsel skaper høye priser. Verken på 1990-tallet eller på 2000-tallet var kobolt et av hovedmetallene på planeten. Men hva startet med populariseringen av smarttelefoner på 2010-tallet! I 2000 var etterspørselen etter metall omtrent 2700 tonn per år. I 2010, da iPhones og Android-smarttelefoner var seirende over hele planeten, hoppet etterspørselen til 25 000 tonn og fortsatte å vokse år etter år. Nå overstiger antall ordrer volumet av solgte kobolt med 5 ganger. For referanse: mer enn halvparten av kobolt som er utvunnet i verden går til produksjon av batterier.
Kobolt prisdiagram for de siste 4 årene. Kommentarer er overflødige. Kilde: Elec.ru
Hvis i 2017 var prisen per tonn kobolt i gjennomsnitt 24 000 dollar, så har den siden 2017 gått bratt oppover og nådde 95,500 dollar i 2018. Selv om smarttelefoner bare bruker 5-10 gram kobolt, har økningen i metallprisene påvirket kostnadene for enheter.
Og dette er en av grunnene til at produsenter av elbiler er bekymret for å redusere andelen kobolt i bilbatterier. For eksempel har Tesla redusert massen av det knappe metallet fra 11 til 4,5 kg per bil, og i fremtiden planlegger det å finne effektive formuleringer uten kobolt i det hele tatt. Prisen på kobolt, som hadde steget unormalt høy innen 2019, falt til verdiene i 2015, men batteriutviklere har trappet opp arbeidet med å forlate eller redusere andelen kobolt.
I tradisjonelle litium-ion-batterier utgjør kobolt omtrent 60% av den totale massen. Litium-nikkel-manganformuleringen som brukes i biler inneholder mellom 10% og 30% kobolt, avhengig av de ønskede batteriegenskapene. Litium-nikkel-aluminiumsammensetning - bare 9%. Imidlertid er disse blandingene ikke en fullstendig erstatning for litium-koboltoksyd.
Li-Ion-problemer
Ulike typer litium-ion-batterier er de beste batteriene for de fleste forbrukere i dag. Rommelig, kraftig, kompakt og billig, de har fortsatt alvorlige ulemper som begrenser bruken.
Brannfarlig
For normal drift krever et litium-ion-batteri en strømkontroll for å forhindre overlading og overoppheting. Ellers blir batteriet til en veldig brannfarlig ting som har en tendens til å svelle og eksplodere i varmen eller når den lades fra en adapter av dårlig kvalitet. Eksplosjonsfare er kanskje den største ulempen med litium-ion-batterier. For å øke kapasiteten blir arrangementet forseglet inne i batteriene, noe som til og med en liten skade på skallet umiddelbart fører til brann. Alle husker den oppsiktsvekkende historien om Samsung Galaxy Note 7, der, på grunn av tettheten inne i saken, batteriskallet ble frynsete over tid, oksygen trengte innvendig og smarttelefonen blinket plutselig. Siden den gang har noen flyselskaper bare pålagt deg å ta med litium-ion-batterier i bagasjen.og på lastefly har batteripakker et stort advarsel-klistremerke.
aldring
Litium-ion-batterier er følsomme for aldring selv om de ikke brukes. Derfor vil en 10 år gammel utpakket smarttelefon som er kjøpt som et samleobjekt, for eksempel den aller første iPhone, holde mye mindre lading på grunn av veldig aldring av batteriet. Forresten, anbefalingene om å holde batteriene ladet opp til halvparten av kapasiteten er berettigede - med full lading under langtidsoppbevaring, mister batteriet sin maksimale kapasitet mye raskere.
Selvutlading
Det er en dårlig ide å lagre energi i litium-ion-batterier og lagre dem i årevis. I prinsippet mister alle batterier lading, men litium-ion-batterier gjør dette spesielt raskt. Mens NiMH-celler mister 0,08–0,33% per måned, mister Li-Ion-celler 2-3% per måned. Om et år vil et litium-ion-batteri miste en tredjedel av ladingen, og etter tre år vil det "gå ned" til null. For å være rettferdig, la oss si at nikkel-kadmium-batterier fortsatt er dårligere - 10% per måned. Men det er en helt annen historie.
Temperaturfølsomhet
Kjøling og overoppheting påvirker parametrene til et slikt batteri i stor grad: +20 ° C blir ansett som den ideelle omgivelsestemperaturen for litium-ion-batterier. Hvis det reduseres til +5 ° C, vil batteriet gi enheten 10% mindre energi. Avkjøling under null tar titalls prosent fra kapasiteten og påvirker også helsen til batteriet: hvis du prøver å lade det, for eksempel fra en kraftbank, vil det vises en "minneeffekt", og batteriet vil ugjenkallelig miste kapasiteten på grunn av dannelse av metallisk litium på anoden. Ved gjennomsnittlige russiske vintertemperaturer er litiumioncellen ikke-funksjonell - la telefonen ligge ute i en halv time i januar for å være sikker.
For å takle problemene som er beskrevet eksperimenterer forskere med materialer til anoder og katoder. Når du endrer sammensetningen av elektrodene, erstattes ett stort problem med mindre problemer - brannsikkerhet fører til en reduksjon i livssyklusen, og en høy utladningsstrøm reduserer det spesifikke energiforbruket. Derfor velges sammensetningen for elektrodene avhengig av bruksområdet for batteriet.
Hvem stjal revolusjonen?
Hvert år rapporterer nyhetsstrømmer om et nytt gjennombrudd i opprettelsen av ekstremt romslige og holdbare batterier - det virker som om smarttelefoner vil fungere i et år uten å lade opp og lade om ti sekunder. Og hvor er batterirevolusjonen som forskere lover alle?
Ofte i slike rapporter forvrenger journalister fakta, og etterlater seg noen veldig viktige detaljer. For eksempel kan et øyeblikkelig oppladbart batteri ha en veldig lav kapasitet, bare egnet for å slå en nattbordsalarm. Eller når spenningen ikke en gang, selv om du trenger 3,6 V. for smarttelefoner, og for å få en start i livet, må batteriet ha en lav pris og høy brannsikkerhet. Dessverre var det overveldende flertallet av utviklingen dårligere i minst en parameter, og det er grunnen til at de "revolusjonerende" batteriene aldri gikk utenfor laboratoriene.
På slutten av 00-tallet eksperimenterte Toshiba med ladbare metanolbrenselceller (fylle på batteriet med metanol på bildet), men litium-ion-batterier var fremdeles mer praktisk.
Og selvfølgelig, la oss legge konspirasjonsteorien til side "uendelige akkumulatorer er ikke lønnsomme for produsenter". I dag er batterier i forbrukerenheter uerstattelige (eller rettere sagt, de kan byttes, men vanskelige). For 10-15 år siden var det enkelt å bytte ut et skadet batteri i en mobiltelefon, men da mistet strømforsyningen virkelig kapasiteten i et år eller to med aktiv bruk. Moderne litium-ion-batterier holder lenger enn den gjennomsnittlige enhetens levetid. På smarttelefoner kan du tenke på å skifte ut batteriet ikke tidligere enn etter 500 ladesykluser, når det mister 10-15% av kapasiteten. Og heller vil telefonen selv miste relevansen før batteriet endelig svikter. Det vil si at batteriprodusenter tjener penger ikke på å bytte ut dem, men ved å selge batterier for nye enheter. Så et "evig" batteri i en ti år gammel telefon vil ikke skade virksomheten din.
Team Goodenough er tilbake i aksjon
Hva skjedde med forskerne fra gruppen John Goodenough, som oppdaget litium-koboltoksid og derved ga liv til effektive litium-ion-batterier?
I 2017 sa 94 år gamle Goodenough at han jobbet med forskere ved University of Texas for å utvikle en ny type solid-state-batteri som kan lagre 5-10 ganger mer energi enn tidligere litium-ion-batterier. For dette var elektrodene laget av rent litium og natrium. Lav pris er også lovet. Men det er fortsatt ingen spesifikasjoner og prognoser om starten på masseproduksjon. Gitt den lange reisen mellom oppdagelsen av Goodenough-gruppen og starten på masseproduksjon av litium-ion-batterier, kan man forvente reelle prøver om 8-10 år.
Koichi Mizushima fortsetter sitt forskningsarbeid i Toshiba Research Consulting Corporation. “Når jeg ser tilbake, er jeg overrasket over at ingen før oss har gjettet å bruke et så enkelt materiale som litium-koboltoksyd på anoden. På det tidspunktet hadde mange andre oksider blitt prøvd, så sannsynligvis, hvis ikke for oss, så ville noen andre i løpet av få måneder gjort dette funnet,”sa han.
Koichi Mizushima med en pris fra Royal Society of Chemistry of Storbritannia for sitt bidrag til utvikling av litium-ion-batterier.
Historien tolererer ikke subjunktive stemninger, spesielt siden Mr. Mizushima selv innrømmer at et gjennombrudd i opprettelsen av litium-ion-batterier var uunngåelig. Men det er fortsatt interessant å forestille seg hvordan verden av mobilelektronikk ville være uten kompakte og romslige batterier: bærbare datamaskiner med en tykkelse på flere centimeter, enorme smarttelefoner som krever lading to ganger om dagen, og ingen smartur, armbånd, actionkameraer, quadcopters, etc. til og med elektriske kjøretøy. Hver dag bringer forskere over hele verden en ny energirevolusjon nærmere, som vil gi oss kraftigere og mer kompakte batterier, og med dem utrolig elektronikk, som vi bare kan drømme om.
