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Meccanismo di intercalazione degli ioni di litio

1980
  • M. Stanley Whittingham
  • John B. Goodenough
  • Akira Yoshino
Processo di smontaggio della batteria agli ioni di litio nel laboratorio di elettrochimica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Lithium-ion batteries function via an intercalation mechanism, a reversible insertion of ions into a layered host material. During discharge, litio Gli ioni ([latex]Li^+[/latex]) si deintercalano da un elettrodo negativo (anodo), in genere grafite, e si muovono attraverso un elettrolita non acquoso per intercalarsi in un elettrodo positivo (catodo), in genere un ossido metallico. Gli elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno, creando corrente.

The concept of intercalation is central to the success of lithium-ion batteries. Unlike older battery chemistries where the electrodes undergo significant chemical phase changes, intercalation involves lithium ions acting as ‘guests’ that slide into and out of the ‘host’ crystalline structure of the electrode materials. For the anode, the host is typically graphite, which has a layered structure allowing [latex]Li^+[/latex] ions to fit between its graphene sheets, forming [latex]LiC_6[/latex]. For the cathode, the host is a metal oxide, such as lithium cobalt oxide ([latex]LiCoO_2[/latex]), where lithium ions occupy layers between cobalt oxide sheets.

Questo processo è altamente reversibile e non altera drasticamente la struttura dell'ospite, il che porta a una lunga durata del ciclo con una degradazione minima. Il movimento degli ioni è facilitato da un elettrolita organico non acquoso, poiché il litio è altamente reattivo con l'acqua. Un separatore polimerico microporoso impedisce che l'anodo e il catodo si tocchino e vadano in cortocircuito, consentendo il passaggio degli ioni.

Durante la carica, una tensione esterna forza il processo inverso: gli ioni di litio vengono estratti dal catodo, attraversano l'elettrolita e vengono reinseriti nell'anodo di grafite. L'alta potenziale elettrochimico del litio, unitamente al suo basso peso atomico, consente di ottenere batterie con densità energetica ed energia specifica molto elevate, motivo per cui hanno rivoluzionato l'elettronica portatile e stanno consentendo la transizione verso i veicoli elettrici.

UNESCO Nomenclature: 2203
- Elettrochimica

Tipo

Processo chimico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Discovery of litio metal and its high electrochemical potential
  • Ricerca fondamentale sui composti di intercalazione negli anni '70
  • Sviluppo di elettroliti stabili non acquosi
  • Primi prototipi non sicuri di batterie ricaricabili al litio metallico

Applicazioni

  • smartphone, laptop e tablet
  • veicoli elettrici (EV)
  • utensili elettrici e attrezzature da giardino senza fili
  • sistemi di accumulo di energia su scala di rete
  • dispositivi medici impiantabili e apparecchi acustici

Brevetti:

  • US4357215A

Idee e potenziali innovazioni

  • anodi compositi in silicio-grafite con leganti polimerici autoriparanti per gestire l'espansione del volume
  • sistemi di gestione delle batterie basati sull'intelligenza artificiale che prevedono il degrado delle celle e ottimizzano i protocolli di ricarica in tempo reale
  • structural batteries where the battery is part of the device’s chassis (e.g., a car door)
  • batterie a doppio ione che utilizzano l'intercalazione sia di cationi che di anioni
  • celle agli ioni di litio autoriscaldanti per prestazioni migliorate nei climi freddi
  • aqueous ioni di litio batteries using ‘water-in-salt’ electrolytes for enhanced safety
  • batterie con sensori in fibra ottica integrati per il monitoraggio della temperatura interna e della sollecitazione
  • processi di riciclaggio che utilizzano l'idrometallurgia per recuperare preziosi metalli catodici
Correlato a: ioni di litio, intercalazione, anodo, catodo, elettrolita, ricaricabile, densità energetica, grafite.

Contesto storico

Meccanismo di intercalazione degli ioni di litio

1970
1970
1975
1980
1980
1980
1984
1970
1970
1974-11-15
1980
1980
1980
1984
1985

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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