การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียม

ที่มาของอุปกรณ์แบตเตอรี่อาจเริ่มต้นด้วยการค้นพบขวดไลเดน ขวด Leiden ถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ Pieter van Musschenbroek ในปี 1745 โถ Leyden เป็นอุปกรณ์เก็บประจุแบบดั้งเดิม ประกอบด้วยแผ่นโลหะสองแผ่นคั่นด้วยฉนวน แท่งโลหะด้านบนใช้สำหรับเก็บและปล่อยประจุ เมื่อคุณสัมผัสคันเบ็ด เมื่อใช้ลูกบอลโลหะ ขวด Leiden สามารถเก็บหรือเอาพลังงานไฟฟ้าภายในออกได้ และหลักการและการเตรียมของมันก็เป็นเรื่องง่าย ใครก็ตามที่สนใจสามารถทำเองได้ที่บ้าน แต่ปรากฏการณ์การปลดปล่อยตัวเองจะรุนแรงกว่าเนื่องจากคำแนะนำง่ายๆ โดยทั่วไป ไฟฟ้าทั้งหมดจะถูกระบายออกภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงถึงสองสามวัน อย่างไรก็ตาม การเกิดขึ้นของขวดไลเดนถือเป็นก้าวใหม่ในการวิจัยไฟฟ้า

ในปี 1790 นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี Luigi Galvani ค้นพบการใช้ลวดสังกะสีและทองแดงเพื่อเชื่อมต่อขากบ และพบว่าขากบจะกระตุก เขาจึงเสนอแนวคิดเรื่อง "พลังงานชีวภาพ" การค้นพบนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีอเลสซานโดรกระตุก การคัดค้านของโวลตา โวลตาเชื่อว่าการกระตุกของขาของกบนั้นมาจากกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากโลหะมากกว่ากระแสไฟฟ้าบนกบ เพื่อหักล้างทฤษฎีของกัลวานี โวลตาจึงเสนอ Volta Stack อันโด่งดังของเขา กอง voltaic ประกอบด้วยแผ่นสังกะสีและทองแดงที่มีกระดาษแข็งแช่ในน้ำเค็มในระหว่าง นี่คือต้นแบบของแบตเตอรี่เคมีที่เสนอ
สมการปฏิกิริยาอิเล็กโทรดของเซลล์โวลตาอิก:

อิเล็กโทรดบวก: 2H^++2e^-→H_2

อิเล็กโทรดลบ: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

ในปี 1836 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ John Frederic Daniell ได้คิดค้นแบตเตอรี่ Daniel เพื่อแก้ปัญหาฟองอากาศในแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ของ Daniel มีรูปแบบหลักของแบตเตอรี่เคมีสมัยใหม่ ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนที่เป็นบวกแช่อยู่ในสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต ทองแดงอีกส่วนหนึ่งจุ่มสังกะสีในสารละลายซิงค์ซัลเฟต แบตเตอรีเดิมของแดเนียลเต็มไปด้วยสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟตในโถทองแดง และใส่ภาชนะเซรามิกทรงกระบอกมีรูพรุนตรงกลาง ในภาชนะเซรามิกนี้มีแท่งสังกะสีและซิงค์ซัลเฟตเป็นขั้วลบ ในสารละลาย รูเล็กๆ ในภาชนะเซรามิกช่วยให้คีย์ทั้งสองสามารถแลกเปลี่ยนไอออนได้ แบตเตอรี่ของ Daniel สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้สะพานเกลือหรือเมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านได้เพื่อให้ได้เอฟเฟกต์นี้ แบตเตอรี่ของ Daniel ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเครือข่ายโทรเลข จนกระทั่งแบตเตอรี่แห้งแทนที่

สมการปฏิกิริยาอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่แดเนียล:

อิเล็กโทรดบวก: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu

อิเล็กโทรดลบ: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

จนถึงตอนนี้ ได้มีการกำหนดรูปแบบหลักของแบตเตอรี่แล้ว ซึ่งรวมถึงอิเล็กโทรดบวก อิเล็กโทรดลบ และอิเล็กโทรไลต์ บนพื้นฐานดังกล่าว แบตเตอรี่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในอีก 100 ปีข้างหน้า ระบบแบตเตอรี่ใหม่ปรากฏขึ้นมากมาย รวมถึงนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Gaston Planté ที่คิดค้นแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดในปี 1856 แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด กระแสไฟขาออกขนาดใหญ่และราคาต่ำได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง จึงถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์เคลื่อนที่หลายประเภท เช่น ไฟฟ้ายุคแรก ยานพาหนะ มักใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟสำรองสำหรับโรงพยาบาลและสถานีฐานบางแห่ง แบตเตอรี่ตะกั่วกรดประกอบด้วยตะกั่ว ตะกั่วไดออกไซด์ และกรดซัลฟิวริกเป็นส่วนใหญ่ และแรงดันไฟฟ้าสามารถเข้าถึงได้ประมาณ 2V แม้แต่ในยุคปัจจุบัน แบตเตอรี่ตะกั่วกรดยังไม่หมดไปเนื่องจากเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้ว ราคาที่ต่ำ และระบบที่ใช้น้ำที่ปลอดภัยกว่า

สมการปฏิกิริยาอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด:

Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O

อิเล็กโทรดลบ: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-

แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมที่คิดค้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน Waldemar Jungner ในปี พ.ศ. 1899 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ขนาดเล็ก เช่น วอล์คแมนยุคแรก เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรด คล้ายกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมยังใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่ช่วงปี 1990 แต่ความเป็นพิษค่อนข้างสูงและตัวแบตเตอรี่เองก็มีผลหน่วยความจำเฉพาะ นี่คือเหตุผลที่เรามักได้ยินผู้ใหญ่บางคนบอกว่าแบตเตอรี่ต้องหมดก่อนชาร์จใหม่ และแบตเตอรี่ที่เสียจะปนเปื้อนดินเป็นต้น (โปรดทราบว่าแม้แบตเตอรี่ในปัจจุบันจะมีพิษสูง และไม่ควรทิ้งทุกที่ แต่แบตเตอรี่ลิเธียมในปัจจุบันไม่มีประโยชน์ของหน่วยความจำ และการคายประจุมากเกินไปก็เป็นอันตรายต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่) แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมสร้างความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า และ ความต้านทานภายในจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายเนื่องจากกระแสไฟที่มากเกินไปในระหว่างการชาร์จ แบตเตอรี่นิกเกิล-ไฮโดรเจนค่อยๆ เลิกใช้ไปราวๆ ปี 2005 จนถึงขณะนี้ แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียมยังไม่ค่อยมีให้เห็นในตลาด

สมการปฏิกิริยาอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม:

Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2

อิเล็กโทรดลบ: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-

เวทีแบตเตอรี่ลิเธียมโลหะ

ในทศวรรษที่ 1960 ในที่สุดผู้คนก็เข้าสู่ยุคของแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างเป็นทางการ

โลหะลิเธียมถูกค้นพบในปี พ.ศ. 1817 และในไม่ช้าผู้คนก็ตระหนักว่าคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของโลหะลิเธียมมักถูกใช้เป็นวัสดุสำหรับแบตเตอรี่ มีความหนาแน่นต่ำ (0.534g 〖cm〗^(-3)) ความจุขนาดใหญ่ (ตามทฤษฎีถึง 3860mAh g^(-1)) และมีศักย์ไฟฟ้าต่ำ (-3.04V เมื่อเทียบกับขั้วไฟฟ้าไฮโดรเจนมาตรฐาน) สิ่งเหล่านี้เกือบจะบอกผู้คนว่าฉันเป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบของแบตเตอรี่ในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม โลหะลิเธียมเองก็มีปัญหาใหญ่ มีการใช้งานมากเกินไป ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำ และมีข้อกำหนดสูงเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมการทำงาน ดังนั้นเป็นเวลานานที่ผู้คนทำอะไรไม่ถูก

ในปี 1913 Lewis และ Keyes ได้วัดศักยภาพของอิเล็กโทรดโลหะลิเธียม และทำการทดสอบแบตเตอรี่ด้วยลิเธียมไอโอไดด์ในสารละลายโพรพิลามีนเป็นอิเล็กโทรไลต์ถึงแม้จะล้มเหลวก็ตาม

ในปีพ.ศ. 1958 วิลเลียม ซิดนีย์ แฮร์ริสกล่าวถึงวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาว่าเขาใส่โลหะลิเธียมลงในสารละลายเอสเทอร์อินทรีย์ต่างๆ และสังเกตการก่อตัวของชั้นฟิล์มทู่หลายชั้น (รวมถึงโลหะลิเธียมในกรดเปอร์คลอริก) ลิเธียม LiClO_4

ปรากฏการณ์ในสารละลาย PC ของโพรพิลีนคาร์บอเนตและการแก้ปัญหานี้คือระบบอิเล็กโทรไลต์ที่สำคัญในแบตเตอรี่ลิเธียมในอนาคต) และมีการสังเกตปรากฏการณ์การส่งผ่านไอออนจำเพาะ ดังนั้นจึงได้ทำการทดลองการวางตำแหน่งอิเล็กโทรดเบื้องต้นโดยอิงจากสิ่งนี้ การทดลองเหล่านี้นำไปสู่การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างเป็นทางการ

ในปีพ.ศ. 1965 NASA ได้ทำการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับปรากฏการณ์การชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ Li||Cu ในโซลูชันลิเธียมเปอร์คลอเรตสำหรับพีซี ระบบอิเล็กโทรไลต์อื่นๆ รวมถึงการวิเคราะห์ LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl งานวิจัยนี้ได้กระตุ้นความสนใจอย่างมากในระบบอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์

ในปีพ.ศ. 1969 สิทธิบัตรได้แสดงให้เห็นว่ามีผู้เริ่มพยายามขายแบตเตอรี่สารละลายอินทรีย์โดยใช้โลหะลิเธียม โซเดียม และโพแทสเซียม

ในปี 1970 Panasonic Corporation ของญี่ปุ่นได้คิดค้นแบตเตอรี่ Li‖CF_x ┤ โดยที่อัตราส่วนของ x โดยทั่วไปคือ 0.5-1 CF_x เป็นฟลูออโรคาร์บอน แม้ว่าก๊าซฟลูออรีนจะมีความเป็นพิษสูง แต่ตัวฟลูออโรคาร์บอนเองก็เป็นผงที่ไม่เป็นพิษเป็นสีขาว การเกิดขึ้นของแบตเตอรี่ Li‖CF_x ┤ สามารถกล่าวได้ว่าเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงพาณิชย์เครื่องแรกที่แท้จริง แบตเตอรี่ Li‖CF_x ┤ เป็นแบตเตอรี่หลัก ถึงกระนั้น ความจุของมันก็ยังมาก ความจุตามทฤษฎีคือ 865mAh 〖Kg〗^(-1) และแรงดันไฟดิสชาร์จมีความเสถียรมากในระยะยาว ดังนั้นพลังงานจึงมีเสถียรภาพและปรากฏการณ์การปลดปล่อยตัวเองมีขนาดเล็ก แต่มีประสิทธิภาพการทำงานที่แย่มากและไม่สามารถเรียกเก็บเงินได้ ดังนั้น โดยทั่วไปแล้วจะรวมกับแมงกานีสไดออกไซด์เพื่อสร้างแบตเตอรี่ Li‖CF_x ┤-MnO_2 ซึ่งใช้เป็นแบตเตอรี่ภายในสำหรับเซ็นเซอร์ นาฬิกา ฯลฯ ขนาดเล็กบางประเภท และยังไม่ได้กำจัด

อิเล็กโทรดบวก: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF

อิเล็กโทรดลบ: Li→〖Li〗^++e^-

ในปี 1975 บริษัทซันโยของญี่ปุ่นได้คิดค้นแบตเตอรี่ Li‖MnO_2 ┤ ซึ่งใช้ครั้งแรกในเครื่องคิดเลขพลังงานแสงอาทิตย์แบบชาร์จไฟได้ นี่ถือได้ว่าเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้เครื่องแรก แม้ว่าผลิตภัณฑ์นี้ประสบความสำเร็จอย่างมากในญี่ปุ่นในขณะนั้น แต่ผู้คนก็ยังไม่เข้าใจวัสดุดังกล่าวอย่างลึกซึ้งและไม่รู้จักลิเธียมและแมงกานีสไดออกไซด์ เหตุผลที่อยู่เบื้องหลังปฏิกิริยาคืออะไร?

ในเวลาเดียวกัน ชาวอเมริกันกำลังมองหาแบตเตอรี่ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งปัจจุบันเราเรียกว่าแบตเตอรี่สำรอง

ในปี 1972 MBArmand (ชื่อของนักวิทยาศาสตร์บางคนไม่ได้แปลตั้งแต่แรก) ได้เสนอในเอกสารการประชุม M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (โดยที่ M คือโลหะอัลคาไล) และวัสดุอื่นๆ ที่มีโครงสร้างสีน้ำเงินปรัสเซียน และศึกษาปรากฏการณ์การแทรกสอดของไอออนของมัน และในปี 1973 J. Broadhead และคนอื่นๆ ของ Bell Labs ได้ศึกษาปรากฏการณ์การแทรกสอดของอะตอมของกำมะถันและไอโอดีนในไดคัลโคเจไนด์โลหะ การศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับปรากฏการณ์การแทรกสอดของไอออนเหล่านี้เป็นแรงผลักดันที่สำคัญที่สุดสำหรับความก้าวหน้าที่ค่อยเป็นค่อยไปของแบตเตอรี่ลิเธียม การวิจัยดั้งเดิมนั้นแม่นยำเนื่องจากการศึกษาเหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในภายหลังเป็นไปได้

ในปี 1975 Martin B. Dines แห่ง Exxon (ผู้บุกเบิก Exxon Mobil) ได้ทำการคำนวณและทดลองเบื้องต้นเกี่ยวกับการสอดแทรกระหว่างชุดของโลหะทรานซิชันไดคัลโคเจไนด์และโลหะอัลคาไลและในปีเดียวกันนั้น Exxon เป็นอีกชื่อหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ MS Whittingham ตีพิมพ์สิทธิบัตร บน Li‖TiS_2 ┤ พูล และในปี 1977 Exoon ได้จำหน่ายแบตเตอรี่โดยใช้ Li-Al‖TiS_2┤ ซึ่งโลหะผสมลิเธียมอะลูมิเนียมสามารถเพิ่มความปลอดภัยให้กับแบตเตอรี่ได้ (แม้ว่าจะยังมีความเสี่ยงที่มีนัยสำคัญอยู่ก็ตาม) หลังจากนั้น Eveready ใช้ระบบแบตเตอรี่ดังกล่าวอย่างต่อเนื่องในสหรัฐอเมริกา การค้าของบริษัทแบตเตอรี่และบริษัทเกรซ แบตเตอรี่ Li‖TiS_2 ┤ สามารถเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมรองก้อนแรกได้อย่างแท้จริง และยังเป็นแบตเตอรี่ที่ร้อนแรงที่สุดในขณะนั้นอีกด้วย ในขณะนั้น ความหนาแน่นของพลังงานอยู่ที่ประมาณ 2-3 เท่าของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด

อิเล็กโทรดบวก: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2

อิเล็กโทรดลบ: Li→〖Li〗^++e^-

ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ชาวแคนาดา MA Py ได้คิดค้นแบตเตอรี่ Li‖MoS_2┤ ในปี 1983 ซึ่งสามารถมีความหนาแน่นของพลังงานได้ 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) ที่ 1/3C ซึ่งเทียบเท่ากับ Li‖TiS_2┤ แบตเตอรี่. จากสิ่งนี้ ในปี 1987 บริษัท Moli Energy ของแคนาดาได้เปิดตัวแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย ซึ่งเป็นที่ต้องการอย่างกว้างขวางทั่วโลก นี่ควรเป็นเหตุการณ์สำคัญทางประวัติศาสตร์ แต่ที่น่าขันก็คือ เหตุการณ์นี้ทำให้โมลีเสื่อมโทรมในภายหลังด้วย จากนั้นในฤดูใบไม้ผลิของปี 1989 Moli Company ได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ Li‖MoS_2┤ รุ่นที่สอง ในช่วงปลายฤดูใบไม้ผลิปี 1989 ผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ Li‖MoS_2┤ รุ่นแรกของ Moli ได้ระเบิดและทำให้เกิดความตื่นตระหนกครั้งใหญ่ ในช่วงฤดูร้อนของปีเดียวกัน ผลิตภัณฑ์ทั้งหมดถูกเรียกคืน และเหยื่อได้รับการชดเชย ณ สิ้นปีเดียวกัน Moli Energy ประกาศล้มละลายและถูก NEC ของญี่ปุ่นเข้าซื้อกิจการในฤดูใบไม้ผลิปี 1990 มีข่าวลือว่า Jeff Dahn นักวิทยาศาสตร์ชาวแคนาดาในขณะนั้นเป็นผู้นำโครงการแบตเตอรี่ที่ Moli พลังงานและลาออกเนื่องจากการคัดค้านรายการแบตเตอรี่ Li‖MoS_2 ┤ อย่างต่อเนื่อง

อิเล็กโทรดบวก: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2

อิเล็กโทรดลบ: Li→〖Li〗^++e^-

จนถึงตอนนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลได้ค่อยๆ ละสายตาจากสาธารณชน เราจะเห็นได้ว่าในช่วงระหว่างปี 1970 ถึง 1980 การวิจัยของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมนั้นเน้นไปที่วัสดุแคโทดเป็นหลัก เป้าหมายสุดท้ายมุ่งเน้นไปที่ไดคัลโคเจไนด์โลหะทรานซิชันอย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากโครงสร้างชั้นของมัน (โลหะทรานซิชันไดคัลโคเจไนด์ในปัจจุบันมีการศึกษาอย่างกว้างขวางว่าเป็นวัสดุสองมิติ) ชั้นของพวกมัน และ มีช่องว่างเพียงพอระหว่างชั้นเพื่อรองรับการแทรกลิเธียมไอออน ในช่วงเวลานี้มีการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุแอโนดน้อยเกินไป แม้ว่าการศึกษาบางชิ้นจะเน้นไปที่การผสมของโลหะลิเธียมเพื่อเพิ่มความเสถียร แต่ตัวโลหะลิเธียมเองก็ไม่เสถียรและเป็นอันตรายเกินไป แม้ว่าการระเบิดของแบตเตอรี่ของ Moli เป็นเหตุการณ์ที่ทำให้โลกตะลึง แต่ก็มีหลายกรณีของการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัล

นอกจากนี้ ผู้คนไม่ทราบสาเหตุของการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นอย่างดี นอกจากนี้ โลหะลิเธียมยังเคยถูกมองว่าเป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่ไม่สามารถถูกแทนที่ได้เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดี หลังจากการระเบิดของแบตเตอรี่ของ Moli การยอมรับของผู้คนเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมโลหะลดลง และแบตเตอรี่ลิเธียมก็เข้าสู่ช่วงเวลาที่มืดมน

เพื่อให้มีแบตเตอรี่ที่ปลอดภัย ผู้คนต้องเริ่มต้นด้วยวัสดุอิเล็กโทรดที่เป็นอันตราย ยังคงมีปัญหาอยู่หลายชุด: ศักยภาพของโลหะลิเธียมนั้นตื้น และการใช้อิเล็กโทรดลบแบบผสมอื่น ๆ จะเพิ่มศักย์ไฟฟ้าขั้วลบ ด้วยวิธีนี้ แบตเตอรี่ลิเธียม ความต่างศักย์โดยรวมจะลดลง ซึ่งจะลด ความหนาแน่นของพลังงานของพายุ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องค้นหาวัสดุแคโทดแรงดันสูงที่สอดคล้องกัน ในเวลาเดียวกัน อิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่จะต้องตรงกับแรงดันไฟฟ้าบวกและลบ และความเสถียรของวงจร ในขณะเดียวกันค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ และทนความร้อนได้ดีกว่า คำถามชุดนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยมาเป็นเวลานานเพื่อค้นหาคำตอบที่น่าพอใจยิ่งขึ้น

ปัญหาแรกสำหรับนักวิทยาศาสตร์ในการแก้ไขคือการหาวัสดุอิเล็กโทรดที่ปลอดภัยและเป็นอันตรายซึ่งสามารถแทนที่โลหะลิเธียมได้ โลหะลิเธียมเองมีกิจกรรมทางเคมีมากเกินไป และปัญหาการเจริญเติบโตของเดนไดรต์รุนแรงเกินไปต่อสภาพแวดล้อมและเงื่อนไขการใช้งาน และไม่ปลอดภัย ปัจจุบันกราไฟต์เป็นส่วนประกอบหลักของอิเล็กโทรดลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และมีการศึกษาการใช้งานในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตั้งแต่ปี 1976 ในปี 1976 เบเซนฮาร์ด JO ได้ทำการศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์ไฟฟ้าเคมีของ LiC_R อย่างไรก็ตาม แม้ว่ากราไฟท์จะมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม (การนำไฟฟ้าสูง ความจุสูง ศักย์ต่ำ ความเฉื่อย ฯลฯ) ในขณะนั้น อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมโดยทั่วไปจะเป็นโซลูชัน PC ของ LiClO_4 ที่กล่าวถึงข้างต้น กราไฟท์มีปัญหาสำคัญ หากไม่มีการป้องกัน อิเล็กโทรไลต์ PC โมเลกุลจะเข้าสู่โครงสร้างกราไฟท์ด้วยการแทรกสอดลิเธียมไอออน ส่งผลให้ประสิทธิภาพของวงจรลดลง ดังนั้นในขณะนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงไม่ชอบกราไฟท์

สำหรับวัสดุแคโทด หลังจากการวิจัยขั้นตอนแบตเตอรี่โลหะลิเธียม นักวิทยาศาสตร์พบว่าวัสดุขั้วบวกลิเธียมเองยังเป็นวัสดุจัดเก็บลิเธียมที่มีการย้อนกลับที่ดี เช่น LiTiS_2,〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) และอื่นๆ และบนพื้นฐานนี้ 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 และวัสดุอื่นๆ ได้รับการพัฒนา และนักวิทยาศาสตร์ก็ค่อยๆ คุ้นเคยกับช่องไอออน 1 มิติ (1D), การแทรกสอดไอออนแบบชั้น 2 มิติ (2D) และโครงสร้างเครือข่ายการส่งไอออน 3 มิติ

งานวิจัยที่มีชื่อเสียงที่สุดของศาสตราจารย์ John B. Goodenough เกี่ยวกับ LiCoO_2 (LCO) ก็เกิดขึ้นเช่นกัน ในปี 1979 Goodenoud และคณะ ได้รับแรงบันดาลใจจากบทความเกี่ยวกับโครงสร้างของ NaCoO_2 ในปี 1973 และค้นพบ LCO และตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับสิทธิบัตร LCO มีโครงสร้างการแทรกซ้อนเป็นชั้นๆ คล้ายกับโลหะทรานซิชันไดซัลไฟด์ ซึ่งสามารถแทรกและดึงลิเธียมไอออนกลับด้านได้ หากลิเธียมไอออนถูกดึงออกมาจนหมด จะเกิดโครงสร้างที่อัดแน่นของ CoO_2 และสามารถใส่เข้าไปใหม่ด้วยลิเธียมไอออนสำหรับลิเธียม (แน่นอนว่าแบตเตอรี่จริงจะไม่อนุญาตให้ลิเธียมไอออนถูกดึงออกทั้งหมด ซึ่ง จะทำให้ความสามารถเสื่อมลงอย่างรวดเร็ว) ในปี 1986 อากิระ โยชิโนะ ซึ่งยังคงทำงานที่ Asahi Kasei Corporation ในญี่ปุ่น ได้รวมเอา LCO, โค้ก และ LiClO_4 PC ทั้งสามโซลูชั่นเข้าด้วยกันเป็นครั้งแรก กลายเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำรองที่ทันสมัยชุดแรกและกลายเป็นลิเธียมในปัจจุบัน รากฐานที่สำคัญของ แบตเตอรี่. Sony สังเกตเห็นสิทธิบัตร LCO ของชายชราที่ "ดีพอ" อย่างรวดเร็วและได้รับอนุญาตให้ใช้ ในปีพ.ศ. 1991 ได้มีการจำหน่ายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน LCO แนวคิดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนก็ปรากฏขึ้นเช่นกัน และแนวคิดของแบตเตอรี่ยังดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้ (เป็นที่น่าสังเกตว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นแรกของ Sony และ Akira Yoshino ก็ใช้ฮาร์ดคาร์บอนเป็นขั้วลบแทนกราไฟต์ และเหตุผลก็คือพีซีด้านบนมีการแทรกสอดในกราไฟท์)

อิเล็กโทรดบวก: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6

อิเล็กโทรดลบ: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-

ในทางกลับกัน ในปี 1978 Armand, M. ได้เสนอให้ใช้โพลิเอทิลีนไกลคอล (PEO) เป็นอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งเพื่อแก้ปัญหาข้างต้นว่ากราไฟต์แอโนดฝังตัวได้ง่ายในโมเลกุล PC ที่เป็นตัวทำละลาย (อิเล็กโทรไลต์กระแสหลักในขณะนั้นยังคง ใช้ PC, DEC ผสมสารละลาย) ซึ่งนำกราไฟท์เข้าสู่ระบบแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นครั้งแรก และเสนอแนวคิดของแบตเตอรี่เก้าอี้โยก (เก้าอี้โยก) ในปีต่อไป แนวคิดดังกล่าวได้ดำเนินมาจนถึงปัจจุบัน ระบบอิเล็กโทรไลต์กระแสหลักในปัจจุบัน เช่น ED/DEC, EC/DMC ฯลฯ ปรากฏขึ้นอย่างช้าๆ ในปี 1990 และมีการใช้งานตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

ในช่วงเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ยังได้สำรวจชุดของแบตเตอรี่: แบตเตอรี่ Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ แบตเตอรี่ Li‖V〖SE〗_2 ┤ แบตเตอรี่ Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 แบตเตอรี่ Li‖CuO┤ Li ‖I_2 ┤แบตเตอรี่ เป็นต้น เพราะตอนนี้มันมีค่าน้อยกว่า และการวิจัยมีไม่มากนัก ฉันจะไม่แนะนำโดยละเอียด

• แบตเตอรี่ Li-ion เวที

ยุคของการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหลังปี 1991 เป็นยุคที่เราอยู่ในขณะนี้ ในที่นี้ จะไม่สรุปขั้นตอนการพัฒนาโดยละเอียด แต่จะแนะนำระบบเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสองสามตัวโดยสังเขป

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับระบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน ต่อไปนี้คือส่วนต่อไป