Основні компоненти літій-іонних батарей
(1) Катод (позитивний електрод)– Активні матеріали в основному включають літій-кобальт оксид, літій-манганат, літій-фосфат заліза, літій-нікелевий оксид, потрійні матеріали нікель-кобальт-марганець тощо. Алюмінієва фольга товщиною 10–20 мікрометрів зазвичай використовується як провідний струмоприймач.
(2) Роздільник– Спеціальна пластикова мембрана, яка пропускає іони літію, ізолюючи електрони. В даний час він в основному виготовляється з ПЕ, ПП або їх композитів. Існують також неорганічні тверді сепаратори; наприклад, сепаратор із покриттям із оксиду алюмінію є типом неорганічного твердого сепаратора.
(3) Анод (негативний електрод)– Активні матеріали в основному включають графіт, титанат літію або вуглецеві матеріали з графітоподібною структурою. Як провідний струмоприймач зазвичай використовують мідну фольгу товщиною 7-15 мікрометрів.
(4) Електроліт– Зазвичай це органічні системи, наприклад розчинники на основі карбонатів, розчинені гексафторфосфатом літію. Деякі полімерні батареї використовують електроліти гелевого типу.
(5) Корпус акумулятора– В основному поділяються на тверді (сталеві корпуси, алюмінієві корпуси, нікельовані залізні корпуси тощо) і м’які футляри (алюмінієво-пластикова плівка).
Під час заряджання іони літію деінтеркалюють із катода та проникають в анод; під час розрядки відбувається зворотне. Перед складанням один електрод має бути в інтеркальованому стані літію. Інтеркальовані літієм оксиди перехідних металів із потенціалом вищим за 3 В відносно літію та стабільні на повітрі зазвичай вибирають як катодні матеріали, наприклад LiCoO₂, LiNiO₂ і LiMn₂O₄.
Анодними матеріалами є інтеркальовані літієм сполуки з потенціалом, максимально наближеним до потенціалу літію, включаючи різні вуглецеві матеріали (природний графіт, синтетичний графіт, вуглецеве волокно, мезовуглецеві мікрогранули тощо) і оксиди металів, такі як SnO, SnO₂ і композитні оксиди олова SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Для електроліту використовується змішана система розчинників алкілкарбонатів, таких як етиленкарбонат (EC), пропіленкарбонат (PC) і діетилкарбонат з низькою в’язкістю (DEC), розчинених LiPF₆.
Сепаратори являють собою поліолефінові мікропористі плівки ПЕ, ПП або їх композитів. Зокрема, тришарові сепаратори PP/PE/PP мають низьку температуру плавлення та високу стійкість до проколів, служачи тепловим запобіжником.
Корпуси виготовлені зі сталі або алюмінію, а вузли кришки оснащені функціями вибухозахисту та відключення живлення.
Основний принцип роботи
Коли акумулятор заряджається, іони літію витягуються з літійвмісних сполук на катоді та мігрують через електроліт до анода. Вуглецевий матеріал анода має шарувату структуру з численними мікропорами, куди вбудовані іони літію. Більше вбудованих іонів літію означає більшу зарядну здатність.
Під час розряду (коли батарея використовується) іони літію, вбудовані в вуглецеві шари анода, вилучаються та мігрують назад до катода. Більша кількість іонів літію, що повертаються на катод, відповідає більшій розрядній ємності. Ємність акумулятора, яку ми зазвичай називаємо розрядною ємністю.
Під час циклів заряду-розряду літій-іонних акумуляторів іони літію пересуваються туди-сюди між катодом і анодом. Це аналогічно кріслу-гойдалці: два кінці крісла представляють два електроди, і іони літію постійно рухаються між ними. Тому літій-іонні батареї також відомі як батареї для крісел-гойдалок.
Механізм заряду-розряду
Процес заряджання літій-іонних акумуляторів складається з двох етапів: заряджання постійним струмом і заряджання постійною напругою з поступовим зменшенням струму.
Надмірне заряджання та надмірне розряджання призводять до постійного пошкодження катода та анода. Надмірний розряд призводить до руйнування шаруватої структури вуглецю анода, запобігаючи інтеркаляції іонів літію під час наступного заряджання. Перезарядження вбудовує надмірну кількість іонів літію в структуру вугілля анода, залишаючи деякі іони літію назавжди невилученими.
Оптимальною схемою заряджання-розряджання для підтримки продуктивності літій-іонного акумулятора є неглибоке заряджання та неглибоке розряджання. Як правило, термін служби при глибині розряду 60% (DOD) у 2–4 рази вища, ніж при глибині розряду 100%.
