Часть 1: Истоки и ранние исследования технологий
1. Прототип литиевой первичной батареи.
В 1950-х годах Министерство обороны США и НАСА начали исследования батарей высокой-энергии-плотности с использованием фторидов металлов в качестве катода и металлического лития в качестве анода. Однако образование дендритов лития привело к нестабильности производительности. Ключевое концептуальное достижение произошло в 1962 году, когда команда Lockheed предложила систему с неводным литий-электролитом, заложив основу для будущих разработок.
2.Прорыв в области литий-ионных-аккумуляторов.
В 1972 году Стэнли Уиттингем из ExxonMobil разработал первую функциональную перезаряжаемую литиевую батарею. В нем использовался слоистый дисульфид титана (TiS₂) в качестве катода и металлический литий в качестве анода, работающий при напряжении около 2,4 В, -что значительно выше, чем у современных никель-кадмиевых батарей. Однако анод из металлического лития имел тенденцию образовывать дендриты во время циклического использования, что создавало угрозу безопасности и препятствовало коммерциализации.
3. Инновации в катодных материалах.
Большой скачок произошел в 1980 году, когда группа Джона Б. Гуденафа открыла оксид лития-кобальта (LiCoO₂) в качестве катодного материала. Этот материал позволил обеспечить напряжение ячейки 4 В и примерно удвоил плотность энергии. Хотя этот прорыв заложил основу для современных батарей с высокой-энергией-плотностью, в нем по-прежнему использовался литий-металлический анод, поэтому вопросы безопасности оставались нерешенными.
Часть 2: Ключевые инновации
1 Замена материала анода
Важным шагом на пути к безопасным перезаряжаемым батареям стала замена металлического лития. В 1982 году Агарвал и Селман из Технологического института Иллинойса обнаружили интеркаляцию ионов лития в графит. Основываясь на этом, исследователи из Bell Labs создали первую литий-ионную батарею с графитовым анодом, который подавлял рост дендритов. В 1985 году Акира Ёсино собрал практический прототип, используя нефтяной кокс (углеродный материал, похожий на графит) в качестве анода и оксид лития-кобальта в качестве катода. Эта ячейка обеспечивала стабильное перемещение ионов лития между электродами, и Ёсино официально ввел термин «литий-ионная батарея».
2. Прорыв в области электролитов.
Последнее серьезное препятствие-срока службы-было преодолено в 1987 году, когда команда Sony обнаружила, что электролит на основе этиленкарбоната (EC)- позволяет образовывать стабильную межфазную пленку твердого электролита (SEI) на поверхности графитового анода. Этот защитный слой предотвращает непрерывное разложение электролита. Объединив эти инновации, в 1991 году компания Sony выпустила на рынок первую в мире литий-ионную батарею. Она имела катод из оксида лития-кобальта и графитовый анод, а ее быстрое внедрение в видеокамеры и мобильные телефоны положило начало эре тонкой портативной электроники.
Ниже представлена таблица:
3,Хронология разработки литий-ионных-батарей:
| годы | событие | Ключевой персонал/компания | значение |
|---|---|---|---|
| 1912 | Была предложена концепция литий-металлических аккумуляторов. | Гилберт Н. Льюис | Самые ранние исследования возможности создания литиевых батарей |
| 1970S | Коммерциализация первичных литиевых батарей (одноразовых) | Эксон, Моли Энерджи | Li/MnO₂, Li/SOCl₂ и т. д. начали использоваться в больших масштабах. |
| 1980 | Была предложена концепция «батареи-качалки»: ионы лития многократно вставляются и извлекаются между положительным и отрицательным электродами. | Рашид Язами (ионы лития внедрены в графит отрицательного электрода) | Закладываем теоретическую основу для современных литий-ионных-батарей |
| 1983 | Перезаряжаемые и разряжаемые литий-ионно-графитовые аноды обеспечивают | Рашид Язами | Решена проблема дендритов металлического лития. |
| 1985 | Джон Б. Гуденаф предложил слоистый оксидный катод (LiCoO₂). | Джон Б. Гуденаф | Появляются катодные материалы с высоким-напряжением (~4 В) и высокой-емкостью. |
| 1989 | Создан первый прототип литий-ионной батареи LiCoO₂/графита | Акира Ёсино | Прототип действительно безопасного и перезаряжаемого литий-ионного-аккумулятора. |
| 1991 | Sony выпускает первую в мире литий-ионную-батарею, доступную на рынке. | Sony + Асахи Касей | Обладая емкостью 800 мАч и напряжением 3,6 В, он был встроен в видеокамеру Sony CCD-TR1, открывая новую эру бытовой электроники. |
| 1996 | Изобретение катодного материала из литий-железо-фосфата (LiFePO₄). | Команда Джона Б. Гуденафа | Более безопасный и длительный срок службы, но с более низким напряжением (3,2 В). |
| 1997 | Коммерциализация литий-полимерных аккумуляторов | Беллкор | Коллоидные электролиты можно изготавливать в ультратонких мягких упаковках. |
| 2001 | Тройные материалы (LiNiCoMnO₂/NCM) начинают массовое производство | Несколько компаний | Более высокая плотность энергии, постепенно заменяющая оксид лития-кобальта |
| 2008 | Tesla Roadster первым начал использовать литий-ионные аккумуляторы 18650 (Panasonic) в больших количествах. | Панасоник + Тесла | Начало эры электромобилей (разделы 6876, 18650) |
| 2011 | Успешно разработан тройной компонент с высоким-никелем (NCM811). | Несколько компаний | Плотность энергии превышает 250 Вт/кг. |
| 2015 | Кремниевые-углеродные аноды начинают применяться в небольших-масштабах | Амприус и др. | The negative electrode capacity has been increased from 360mAh/g to >420 мАч/г. |
| 2019 | Джон Б. Гуденаф, Стэнли Уиттингем, Акира Ёсино, лауреаты Нобелевской премии по химии | - | Официальное признание вклада литий-ионных-батарей в жизнь человечества |
| 2020 | CATL выпускает модуль-Бесплатная технология CTP | КАТЛ | Коэффициент использования объема увеличился на 15-20%, стоимость снизилась |
| 2021 | Аккумулятор BYD Blade (сверх-длинный литий-железо-фосфатный аккумулятор) поступает в массовое производство | БИД | Сверх-длинные аккумуляторные элементы длиной более 1 м обеспечивают безопасность и высокую объемную плотность энергии. |
| 2022 | Первый автомобиль с полу-твердотельной-батареей (NIO ET7 150кВт-аккумулятор). | велион | Плотность энергии 360 Втч/кг, при переходе на полностью-твердое состояние |
| 2023 | Выпущена батарея Kirin (CATL) + твердая батарея (GAC) | КАТЛ / ПКК | Энергетическая плотность мономеров составляет 255 Втч/кг и 400 Втч/кг (затвердевших в лаборатории) соответственно. |
| 2024 | Первый год массового производства твердотельных-/полу-твердотельных-батарей: SAIC Smart Battery L6 (Цинтао), GAC (на основе сульфида-) и т. д. | Несколько компаний | Плотность энергии 350–400 Втч/кг, запас хода 600+ км после 10 минут зарядки. |
| 2025 | Несколько твердотельных-батарей класса 500 Втч/кг объявили о планах массового производства на 2026–2027 годы. | Тойота, CATL, BYD, QuantumScape и т. д. | Одноэлементные-батарейки с запасом хода 1000-1500 км стали реальностью, открыв "пост-литий-ионную" эру литий-ионных аккумуляторов. |
4,Таблица эволюции плотности энергии:
| годы | Основные катодные материалы | Плотность энергии (Втч/кг) | Репрезентативные модели/продукты |
|---|---|---|---|
| 1991 | LiCoO₂ | 90-120 | Sony Камера |
| 2008 | LiCoO₂/NCA | 180-220 | Тесла Родстер |
| 2018 | НЦМ523/622 | 220-260 | Тесла Модель 3 |
| 2021 | NCM811/высокий никель | 260-300 | ЕТ7, Л9 |
| 2023 | Высокое содержание никеля + кремний-углерод | 300-350 | Аккумулятор Кирин, Тесла 4680 |
| 2025 | Полу-твердый/твердый | 350-500+ | Zhiji L6, полупроводниковый-прототип автомобиля Toyota |
