Glavne komponente litij-ionskih baterij
(1) Katoda (pozitivna elektroda)– Aktivni materiali v glavnem vključujejo litijev kobaltov oksid, litijev manganat, litijev železov fosfat, litijev nikljev oksid, trikomponentne materiale nikelj-kobalt-mangan itd. Aluminijasta folija debeline 10–20 mikrometrov se običajno uporablja kot prevodni zbiralnik toka.
(2) Ločilo– Posebna plastična membrana, ki omogoča prehod litijevih ionov, medtem ko izolira elektrone. Trenutno je v glavnem izdelan iz PE, PP ali njunih kompozitov. Obstajajo tudi anorganski trdni separatorji; na primer, separator, prevlečen z aluminijevim oksidom, je vrsta anorganskega separatorja trdnih snovi.
(3) Anoda (negativna elektroda)– Aktivni materiali vključujejo predvsem grafit, litijev titanat ali ogljikove materiale z grafitom podobnimi strukturami. Kot prevodni zbiralnik toka se običajno uporablja bakrena folija debeline 7–15 mikrometrov.
(4) elektrolit– Na splošno organski sistem, kot so topila na osnovi karbonata, raztopljena z litijevim heksafluorofosfatom. Nekatere polimerne baterije uporabljajo elektrolite v obliki gela.
(5) Ohišje za baterije– Razdeljen predvsem na trde kovčke (jeklene lupine, aluminijaste lupine, ponikljane železne lupine itd.) in mehke kovčke (aluminij-plastična folija).
Med polnjenjem se litijevi ioni deinterkalirajo s katode in interkalirajo v anodo; med praznjenjem se zgodi obratno. Ena elektroda mora biti pred sestavljanjem v litijevem interkaliranem stanju. Kot katodni materiali so na splošno izbrani z litijem interkalirani oksidi prehodnih kovin s potencialom, višjim od 3 V glede na litij in stabilni na zraku, kot so LiCoO₂, LiNiO₂ in LiMn₂O₄.
Anodni materiali so spojine, ki jih je mogoče interkalirati z litijem, s potenciali, ki so čim bližje potencialom litija, vključno z različnimi ogljikovimi materiali (naravni grafit, sintetični grafit, ogljikova vlakna, mezokarbonske mikrokroglice itd.) in kovinskimi oksidi, kot so SnO, SnO₂ in kositrovi kompozitni oksidi SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolit sprejme mešani sistem topil alkil karbonatov, kot so etilen karbonat (EC), propilen karbonat (PC) in dietil karbonat z nizko viskoznostjo (DEC), raztopljen z LiPF₆.
Separatorji so poliolefinske mikroporozne folije iz PE, PP ali njunih kompozitov. Zlasti trislojni separatorji PP/PE/PP imajo nizko tališče in visoko odpornost proti prebadanju ter služijo kot toplotna varovalka.
Ohišja so izdelana iz jekla ali aluminija, sklopi pokrovov pa so opremljeni s protieksplozijsko zaščito in funkcijo izklopa napajanja.
Osnovno načelo delovanja
Ko je baterija napolnjena, se litijevi ioni ekstrahirajo iz spojin, ki vsebujejo litij, v katodi in migrirajo skozi elektrolit do anode. Ogljikov material anode ima plastno strukturo s številnimi mikroporami, kjer so vgrajeni litijevi ioni. Več vgrajenih litijevih ionov pomeni večjo zmogljivost polnjenja.
Med praznjenjem (ko je baterija v uporabi) se litijevi ioni, vdelani v ogljikove plasti anode, ekstrahirajo in migrirajo nazaj na katodo. Več litijevih ionov, ki se vračajo na katodo, ustreza večji zmogljivosti praznjenja. Kapaciteta baterije, ki jo običajno imenujemo, je zmogljivost praznjenja.
Med cikli polnjenja-praznjenja litij-ionskih baterij se litijevi ioni premikajo naprej in nazaj med katodo in anodo. To je analogno gugalnemu stolu: oba konca stola predstavljata dve elektrodi, med njima pa se večkrat premikajo litijevi ioni. Zato so litij-ionske baterije znane tudi kot baterije za gugalne stole.
Mehanizem polnjenja-praznjenja
Postopek polnjenja litij-ionskih baterij je sestavljen iz dveh stopenj: polnjenje s konstantnim tokom in polnjenje s konstantno napetostjo s postopnim zmanjševanjem toka.
Prekomerno polnjenje in prekomerno praznjenje povzroči trajno poškodbo katode in anode. Prekomerna izpraznjenost vodi do sesutja plastne strukture anodnega ogljika, kar preprečuje interkalacijo litijevih ionov med poznejšim polnjenjem. Prekomerno polnjenje vgradi prekomerno količino litijevih ionov v ogljikovo strukturo anode, zaradi česar nekaterih litijevih ionov trajno ni mogoče ekstrahirati.
Optimalen vzorec polnjenja-praznjenja za ohranjanje zmogljivosti litij-ionske baterije je plitvo polnjenje in plitvo praznjenje. Na splošno je življenjska doba cikla pod 60 % globino praznjenja (DOD) 2–4-krat večja kot pri 100 % DOD.
