Основни компоненти на литиево-йонни батерии
(1) Катод (положителен електрод)– Активните материали включват основно литиево-кобалтов оксид, литиево-манганат, литиево-железен фосфат, литиево-никелов оксид, трикомпонентни материали никел-кобалт-манган и др. Алуминиевото фолио с дебелина 10–20 микрометра обикновено се използва като проводящ токоприемник.
(2) Разделител– Специална пластмасова мембрана, която позволява преминаването на литиевите йони, като същевременно изолира електроните. В момента се изработва главно от PE, PP или техни композити. Има и неорганични твърди сепаратори; например сепараторът с покритие от алуминиев оксид е вид сепаратор за неорганични твърди вещества.
(3) Анод (отрицателен електрод)– Активните материали включват главно графит, литиев титанат или въглеродни материали с подобни на графит структури. Като проводящ токоприемник обикновено се използва медно фолио с дебелина 7–15 микрометра.
(4) Електролит– Обикновено органична система, като разтворители на карбонатна основа, разтворени с литиев хексафлуорофосфат. Някои полимерни батерии приемат електролити от гелообразен тип.
(5) Кутия за батерии– Разделени основно на твърди кутии (стоманени черупки, алуминиеви черупки, никелирани железни черупки и др.) и меки кутии (алуминиево-пластмасово фолио).
По време на зареждане литиевите йони се деинтеркалират от катода и се интеркалират в анода; обратното се случва по време на разреждането. Единият електрод трябва да бъде в интеркалирано с литий състояние преди сглобяването. Литиево-интеркалирани оксиди на преходни метали с потенциал, по-висок от 3 V по отношение на литий и стабилни на въздух, обикновено се избират като катодни материали, като LiCoO₂, LiNiO₂ и LiMn₂O₄.
Анодните материали са литиево-интеркалируеми съединения с потенциал, възможно най-близък до този на лития, включително различни въглеродни материали (естествен графит, синтетичен графит, въглеродни влакна, мезовъглеродни микроперли и др.) и метални оксиди като SnO, SnO₂ и калаени композитни оксиди SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Електролитът приема смесена система от разтворители от алкил карбонати като етилен карбонат (EC), пропилей карбонат (PC) и диетил карбонат с нисък вискозитет (DEC), разтворен с LiPF₆.
Сепараторите са полиолефинови микропорести филми от PE, PP или техни композити. По-специално, трислойните сепаратори от PP/PE/PP се отличават с ниска точка на топене и висока устойчивост на пробиване, служейки като термичен предпазител.
Корпусите са изработени от стомана или алуминий, а модулите на капака са оборудвани с взривобезопасни функции и функции за изключване на захранването.
Основен принцип на работа
Когато батерията е заредена, литиевите йони се извличат от литиево-съдържащите съединения в катода и мигрират през електролита към анода. Въглеродният материал на анода има слоеста структура с множество микропори, в които са вградени литиеви йони. Повече вградени литиеви йони означават по-висок капацитет на зареждане.
По време на разреждане (когато батерията се използва), литиевите йони, вградени във въглеродните слоеве на анода, се извличат и мигрират обратно към катода. Повече литиеви йони, връщащи се към катода, съответстват на по-висок капацитет на разреждане. Капацитетът на батерията, който обикновено наричаме, е капацитетът на разреждане.
По време на циклите на зареждане-разреждане на литиево-йонни батерии, литиевите йони се движат напред-назад между катода и анода. Това е аналогично на люлеещия се стол: двата края на стола представляват двата електрода и литиевите йони се движат многократно между тях. Следователно литиево-йонните батерии са известни също като батерии за люлеещи се столове.
Механизъм за зареждане-разреждане
Процесът на зареждане на литиево-йонни батерии се състои от два етапа: зареждане с постоянен ток и зареждане с постоянно напрежение с постепенно намаляващ ток.
Прекомерното зареждане и прекомерното разреждане причинява трайна повреда на катода и анода. Прекомерното разреждане води до срутване на слоестата структура на анодния въглерод, предотвратявайки интеркалирането на литиевите йони по време на последващо зареждане. Прекомерното зареждане вгражда прекомерни литиеви йони във въглеродната структура на анода, оставяйки някои литиеви йони трайно неизвличащи се.
Оптималният модел на зареждане-разреждане за поддържане на производителността на литиево-йонната батерия е плитко зареждане и плитко разреждане. Като цяло животът на цикъла при 60% дълбочина на разреждане (DOD) е 2–4 пъти по-голям от този при 100% DOD.
