Ein Rückblick auf die Geschichte der Lithium-Ionen-Batterien in Goodenough

Aufgrund der schnellen Diffusionsfähigkeit von H + in wässriger Lösung verwendeten frühe wiederaufladbare Batterien hauptsächlich starke Säuren (H2SO4) oder starke Basen (KOH) als Elektrolyte. Zu dieser Zeit war NiOOH als positive Elektrode der zuverlässigste akku. Der starke Alkaligehalt ist die Nickel-Wasserstoff-Batterie des Elektrolyten, aber wir alle wissen, dass das elektrochemische Stabilitätsfenster von Wasser sehr eng ist, was die Betriebsspannung der wiederaufladbaren Batterie begrenzt, was zu einer geringeren Energiedichte von wiederaufladbaren Batterien unter Verwendung wässriger Lösungen führt .

Um die elektrochemische Stabilität von Elektrolyten zu erhöhen, wurden viele Versuche unternommen. Im Jahr 1967 entdeckten JosephKummer und Neill Weber von der Ford Motor Company, dass einige Keramikmaterialien bei einer hohen Temperatur von 300 ° C hohe Na + -Diffusionsgeschwindigkeiten aufweisen. Aufgrund der hohen Arbeitstemperatur ist es für die Batterie schwierig, einen nützlichen Platz in der Praxis zu finden, um eine wiederaufladbare Batterie unter Verwendung der Na-Negativelektrode aus geschmolzenem Metall und der positiven Elektrode aus geschmolzenem S / Graphit zu entwickeln. Dies hindert die Batterie jedoch nicht daran, die Festkörperelektrolyttechnologie in die Augen der Menschen zu bringen, was auch den Weg für den Aufstieg von Vollfestbatterien heute ebnet. Googenough, der am Lincoln Laboratory des MIT arbeitete, erkannte die Aussicht auf diese Technologie, folgte der Technologie und entwickelte Na1 + xZr2SixP3 mit HenryHongs hoher Na + -Leitfähigkeit. xO12-Elektrolyte, aber aufgrund der geringen Leitfähigkeit von Festelektrolyten bei Raumtemperatur, erregten zu dieser Zeit nicht viel Aufmerksamkeit.

In den 1970er Jahren erfasste eine unerwartete Ölkrise die Vereinigten Staaten. Zu dieser Zeit waren die Vereinigten Staaten stark von Ölimporten abhängig, so dass diese Ölkrise die amerikanische Gesellschaft traf. Seitdem haben die Vereinigten Staaten begonnen, erneuerbare Energien wie Wind- und Sonnenenergie energisch zu entwickeln, um die Abhängigkeit von fossilen Energien wie Öl zu verringern. Die Entwicklung von Wind- und Sonnenenergie wird mit einem Problem konfrontiert sein. Diese erneuerbaren Energiequellen hängen im Wesentlichen vom Verzehr von Lebensmitteln ab und sind schwer an die Anforderungen der Netzstabilität anzupassen. Daher kann die Entwicklung erneuerbarer Energien nicht von der Weiterentwicklung der energiespeichertechnologie getrennt werden.

Metalllithium hat die Vorteile eines niedrigen Potentials (-3,04 Vvs Standardwasserstoffelektrode) und einer hohen spezifischen Kapazität (3860 mAh / g) und ist ein sehr ausgezeichnetes Anodenmaterial. Frühe Lithium-Primärbatterien verwenden metallisches Lithium als negative Elektrode und organisches Lösungsmittel als Elektrolyt. Da gute Ergebnisse erzielt wurden, konzentrierte sich die Forschung an wiederaufladbaren Batterien auf Metall-Lithium-Sekundärbatterien. In den 1960er Jahren verwendeten Forscher europäische Chemiker, um herauszufinden, dass Li + reversibel in geschichtete Übergangsmetallsulfide eingebettet ist. Prinzipiell wurde eine anfängliche Metalllithium-Sekundärbatterie unter Verwendung eines Metallsulfids als positive Elektrode hergestellt. In den 1980er Jahren führte Kanadas Moli Energy erstmals Li / MO2-Sekundärbatterien ein, bei denen Lithiummetall als negative Elektrode verwendet wurde. Diese Batterie ermöglichte es Moli Energy auch, den globalen Batteriemarkt zu dominieren, aber leider war das Lithium 1989 das zweite. In der Batterie ereignete sich ein kontinuierlicher Feuer- und Explosionsunfall, der zu einem groß angelegten Rückruf der Batterie weltweit führte. Seitdem wurde das Unternehmen, das kurzzeitig den globalen Batteriemarkt dominierte, am Boden zerstört und schließlich von der japanischen NEC Corporation übernommen. NEC investierte viel Personal und Zeit, um Zehntausende von Batterien sorgfältig zu analysieren, und fand schließlich die Lithium-CDR, die die Explosion der Batterie verursachte, fand jedoch aus Sicherheitsgründen keinen Weg, die Lithium-Dendriten zu lösen. Das Problem konnte nicht gelöst werden, und die Lithium-Metall-Batterie verschwand langsam aus unserer Sicht.

Derzeit studiert Goodenough an der Universität von Oxford, England, lithiumhaltiges Metalloxid LiCoO2. Die theoretische Kapazität von LiCoO2-Material beträgt 274 mAh / g, aber nicht alle Li + können reversibel desorbieren. Wenn Li + zu viel ausfällt, wird die Stabilität der Struktur zerstört. Sexualität, die den Zusammenbruch der Materialstruktur verursacht, strebt Goodenough an, endlich mehr als die Hälfte des aus LiCoO2 reversiblen Li zu erreichen, so dass die reversible Kapazität des LiCoO2-Materials 140 mAh / g oder mehr erreicht. Dieses Ergebnis führte schließlich zur Geburt von Lithium- Ionenbatterien. AkiraYoshino, der bei Asahi Kasei arbeitete, verwendete LiCoO2 als positive Elektrode. Graphitmaterial wurde als negative Elektrode verwendet, um das früheste Lithium-Ionen-Batteriemodell zu entwickeln. Diese Technologie wurde schließlich von der Sony Corporation übernommen. 1991 wurde die weltweit erste kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie eingeführt. Die Lithiumionenbatterie verwendet Graphitmaterial als negative Elektrode, um das Auftreten von Lithiummetall der negativen Elektrode zu vermeiden, wodurch die Bildung von Lithiumdendriten vermieden wird, wodurch die Sicherheit der wiederaufladbaren Batterie erheblich verbessert wird. Mit den Vorteilen einer hohen Energiedichte und einer hohen Sicherheit rasten Lithium-Ionen-Batterien seitdem den ganzen Weg und lassen schnell andere Sekundärbatterien zurück. In etwas mehr als einem Jahrzehnt haben Lithium-Ionen-Batterien die Unterhaltungselektronik vollständig belegt. Der Markt hat sich auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge ausgeweitet und brillante Erfolge erzielt.

Die Entwicklung von Sekundärbatterien ist jedoch ein Rennen, das niemals endet. Da der spezifische Energieindex der Batterie weiter steigt, kann die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie den neuen Bedarf nicht mehr decken. Um die batteriespezifische Energie weiter zu verbessern, ist Goodenough über 90 Jahre alt. Auch auf die Vollbatterie gedreht. Die Festkörperbatterie ersetzt den flüssigen Elektrolyten in der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie durch einen Feststoff mit Ionenleitfähigkeit, und der Festelektrolyt weist eine gute Festigkeit auf, was die Verwendung der Metall-Lithium-Negativelektrode ermöglicht, und verlässt ausreichend Energie für die Lithium-Ionen-Batterie, um die spezifische Energie zu erhöhen. Raum. Nach mehr als zehnjähriger Entwicklung haben Festelektrolyte auch verschiedene Typen entwickelt, wie Keramikoxidelektrolyte, Sulfidelektrolyte und Polymerelektrolyte. Die Leistung wurde ebenfalls stark verbessert. Die Ionenleitfähigkeit einiger Keramikoxidelektrolyte bei Raumtemperatur war vergleichbar mit flüssigen Elektrolyten, was die Anwendung aller Festkörperbatterien ermöglicht. Goodenoughs Labor an der Universität von Texas in Austin hat jetzt eine Festkörperbatterie mit Festkörperelektrolyten entwickelt, die eine gute elektrochemische Leistung beibehält und während des Langzeitzyklus keine Lithiumdendriten erzeugt. Goodenough glaubt, dass mit der allmählichen Reife der Festkörperbatterietechnologie Elektrofahrzeuge dazu gedrängt werden, herkömmliche Verbrennungsmotoren zu ersetzen und den Verbrauch fossiler Energie zu senken.

Der alte Mann schreit und strebt tausend Meilen an. Das Alter des Märtyrers ist überwältigend. Goodenough kämpft im Alter von 96 Jahren immer noch an vorderster Front der wissenschaftlichen Forschung. Wie können wir, die jüngere Generation, uns entspannen? Schließlich würdigen wir Goodenough noch einmal.

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