Glavne komponente litijum-jonskih baterija
(1) katoda (pozitivna elektroda)– Aktivni materijali uglavnom uključuju litijum kobalt oksid, litijum manganat, litijum gvožđe fosfat, litijum nikl oksid, nikl-kobalt-mangan ternarne materijale, itd. Aluminijumska folija debljine 10-20 mikrometara se uglavnom koristi kao provodljivi kolektor struje.
(2) Separator– Posebna plastična membrana koja omogućava prolaz litijum-jonima dok izoluje elektrone. Trenutno se uglavnom izrađuje od PE, PP ili njihovih kompozita. Postoje i neorganski čvrsti separatori; na primjer, separator presvučen aluminijem je vrsta separatora neorganske čvrste tvari.
(3) Anoda (negativna elektroda)– Aktivni materijali uglavnom uključuju grafit, litijum titanat ili ugljenične materijale sa grafitnom strukturom. Bakarna folija debljine 7-15 mikrometara obično se koristi kao provodljivi strujni kolektor.
(4) Elektrolit– Generalno organski sistem, kao što su rastvarači na bazi karbonata rastvorenih u litijum heksafluorofosfatu. Neke polimerne baterije koriste elektrolite tipa gela.
(5) Battery Case– Uglavnom se dijele na tvrda kućišta (čelične školjke, aluminijske školjke, niklovane željezne školjke, itd.) i mekana kućišta (aluminij-plastična folija).
Tokom punjenja, litijum joni se de-interkaliraju sa katode i interkaliraju u anodu; obrnuto se dešava tokom pražnjenja. Jedna elektroda mora biti u litijumskom interkaliranom stanju prije sklapanja. Litijum-interkalirani oksidi prelaznih metala sa potencijalom većim od 3 V u odnosu na litijum i stabilni na vazduhu se generalno biraju kao katodni materijali, kao što su LiCoO₂, LiNiO₂ i LiMn₂O₄.
Anodni materijali su jedinjenja koja se mogu interkalirati litijumom sa potencijalima što je moguće bližim potencijalima litijuma, uključujući različite ugljične materijale (prirodni grafit, sintetički grafit, ugljična vlakna, mezougljične mikroperle, itd.) i metalne okside kao što su SnO, SnO₂ i kompozitni oksidi kositra SnBₓ}Pᵧ{O_}Pᵧ{O_}Pᵧ{O2}Pᵧ y=0.6–0.4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolit usvaja mešoviti sistem rastvarača alkil karbonata kao što su etilen karbonat (EC), propilen karbonat (PC) i dietil karbonat niske viskoznosti (DEC) rastvoren sa LiPF₆.
Separatori su poliolefinske mikroporozne folije od PE, PP ili njihovih kompozita. Posebno, troslojni separatori PP/PE/PP imaju nisku tačku topljenja i visoku otpornost na bušenje, služeći kao termički sigurnosni osigurač.
Kućišta su napravljena od čelika ili aluminijuma, a sklopovi poklopca su opremljeni funkcijama zaštite od eksplozije i isključivanja struje.
Osnovni princip rada
Kada se baterija napuni, litijum ioni se ekstrahuju iz jedinjenja koja sadrže litijum u katodi i migriraju kroz elektrolit do anode. Ugljični materijal anode ima slojevitu strukturu s brojnim mikroporama u koje su ugrađeni litijevi ioni. Više ugrađenih litijum jona znači veći kapacitet punjenja.
Tokom pražnjenja (kada je baterija u upotrebi), litijum joni ugrađeni u slojeve ugljenika anode se ekstrahuju i migriraju nazad na katodu. Više litijumovih jona koji se vraćaju na katodu odgovara većem kapacitetu pražnjenja. Kapacitet baterije na koji se obično pozivamo je kapacitet pražnjenja.
Tokom ciklusa punjenja-pražnjenja litijum-jonskih baterija, litijum joni se kreću napred-nazad između katode i anode. Ovo je analogno stolici za ljuljanje: dva kraja stolice predstavljaju dvije elektrode, a litijum joni se neprestano kreću između njih. Stoga su litijum-jonske baterije poznate i kao baterije za ljuljačke.
Mehanizam punjenja-pražnjenja
Proces punjenja litijum-jonskih baterija sastoji se od dvije faze: punjenja konstantnom strujom i punjenja konstantnim naponom uz postupno opadajuću struju.
Prekomjerno punjenje i prekomjerno pražnjenje uzrokuju trajno oštećenje katode i anode. Prekomerno pražnjenje dovodi do kolapsa slojevite strukture anodnog ugljenika, sprečavajući interkalaciju litijumovih jona tokom naknadnog punjenja. Prekomjerno punjenje ugrađuje prekomjerne litijeve jone u strukturu ugljika anode, ostavljajući neke litijumske jone trajno ne-izdvojive.
Optimalni obrazac punjenja-pražnjenja za održavanje performansi litijum-jonske baterije je plitko punjenje i plitko pražnjenje. Općenito, životni vijek ispod 60% dubine pražnjenja (DOD) je 2-4 puta veći od ispod 100% DOD.
