Glavne komponente litij-ionskih baterija
(1) Katoda (pozitivna elektroda)– Aktivni materijali uglavnom uključuju litij kobalt oksid, litij manganat, litij željezo fosfat, litij nikal oksid, ternarne materijale nikal-kobalt-mangan, itd. Aluminijska folija debljine 10-20 mikrometara općenito se koristi kao vodljivi kolektor struje.
(2) Separator– Posebna plastična membrana koja omogućuje prolaz litijevim ionima dok izolira elektrone. Trenutno se uglavnom izrađuje od PE, PP ili njihovih kompozita. Postoje i anorganski čvrsti separatori; na primjer, separator obložen aluminijevim oksidom vrsta je anorganskog separatora krutih tvari.
(3) Anoda (negativna elektroda)– Aktivni materijali uglavnom uključuju grafit, litij titanat ili ugljikove materijale sa strukturama sličnim grafitu. Kao vodljivi kolektor struje obično se koristi bakrena folija debljine 7-15 mikrometara.
(4) elektrolit– Općenito organski sustav, kao što su otapala na bazi karbonata otopljena s litijevim heksafluorofosfatom. Neke polimerne baterije koriste elektrolite tipa gela.
(5) Kutija za baterije– Dijele se uglavnom na tvrde kutije (čelične školjke, aluminijske školjke, niklovane željezne školjke itd.) i meke kutije (aluminijska plastična folija).
Tijekom punjenja, litijevi ioni de‑interkaliraju s katode i interkaliraju u anodu; obrnuto se događa tijekom pražnjenja. Jedna elektroda prije sastavljanja mora biti u interkaliranom stanju litija. Oksidi prijelaznih metala interkalirani s litijem s potencijalom većim od 3 V u odnosu na litij i stabilni na zraku općenito se odabiru kao katodni materijali, kao što su LiCoO₂, LiNiO₂ i LiMn₂O₄.
Anodni materijali su spojevi koji se mogu interkalirati s litijem s potencijalima što je moguće bližim onom litija, uključujući razne ugljične materijale (prirodni grafit, sintetski grafit, ugljična vlakna, mezokarbonska mikrozrnca, itd.) i metalne okside kao što su SnO, SnO₂ i kositreni kompozitni oksidi SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolit usvaja miješani sustav otapala alkil karbonata kao što su etilen karbonat (EC), propilen karbonat (PC) i dietil karbonat niske viskoznosti (DEC) otopljen s LiPF₆.
Separatori su poliolefinske mikroporozne folije PE, PP ili njihovih kompozita. Konkretno, PP/PE/PP troslojni separatori imaju nisku točku taljenja i visoku otpornost na probijanje, služeći kao toplinski sigurnosni osigurač.
Kućišta su izrađena od čelika ili aluminija, a sklopovi poklopca opremljeni su funkcijama zaštite od eksplozije i isključivanja struje.
Osnovni princip rada
Kada se baterija puni, litijevi ioni se izdvajaju iz spojeva koji sadrže litij 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 litijevih iona znači veći kapacitet punjenja.
Tijekom pražnjenja (kada je baterija u upotrebi), litijevi ioni ugrađeni u ugljične slojeve anode ekstrahiraju se i migriraju natrag na katodu. Više litijevih iona koji se vraćaju na katodu odgovara većem kapacitetu pražnjenja. Kapacitet baterije koji obično nazivamo je kapacitet pražnjenja.
Tijekom ciklusa punjenja-pražnjenja litij-ionskih baterija, litijevi ioni se kreću naprijed-natrag između katode i anode. To je analogno stolcu za ljuljanje: dva kraja stolca predstavljaju dvije elektrode, a litijevi se ioni stalno pomiču između njih. Stoga su litij-ionske baterije poznate i kao baterije za stolice za ljuljanje.
Mehanizam punjenja-pražnjenja
Proces punjenja litij-ionskih baterija sastoji se od dvije faze: punjenje konstantnom strujom i punjenje konstantnim naponom uz postupno smanjenje struje.
Pretjerano punjenje i prekomjerno pražnjenje uzrokuje trajno oštećenje katode i anode. Pretjerano pražnjenje dovodi do kolapsa slojevite strukture anodnog ugljika, sprječavajući umetanje litijevih iona tijekom naknadnog punjenja. Pretjerano punjenje ugrađuje prekomjerne litijeve ione u strukturu ugljika anode, ostavljajući neke litijeve ione trajno nesposobnima za ekstrakciju.
Optimalan uzorak punjenja-pražnjenja za održavanje performansi litij-ionske baterije je plitko punjenje i plitko pražnjenje. Općenito, životni vijek ispod 60% dubine pražnjenja (DOD) je 2-4 puta veći nego ispod 100% DOD.
