Hovedkomponenter i litium-ion-batterier
(1) Katode (positiv elektrode)– De aktive materialene inkluderer hovedsakelig litiumkoboltoksid, litiummanganat, litiumjernfosfat, litiumnikkeloksid, nikkel-kobolt-mangan ternære materialer osv. Aluminiumsfolie med en tykkelse på 10–20 mikrometer brukes vanligvis som ledende strømkollektor.
(2) Separator– En spesiell plastmembran som lar litiumioner passere gjennom mens de isolerer elektroner. For tiden er den hovedsakelig laget av PE, PP eller deres kompositter. Det finnes også uorganiske faststoffseparatorer; for eksempel er en aluminiumoksydbelagt separator en type uorganisk faststoffseparator.
(3) Anode (negativ elektrode)– De aktive materialene inkluderer hovedsakelig grafitt, litiumtitanat eller karbonmaterialer med grafittlignende strukturer. Kobberfolie med en tykkelse på 7–15 mikrometer brukes vanligvis som ledende strømsamler.
(4) Elektrolytt– Generelt et organisk system, for eksempel karbonatbaserte løsningsmidler oppløst med litiumheksafluorfosfat. Noen polymerbatterier bruker elektrolytter av geltype.
(5) Batterietui– Hovedsakelig delt inn i harde kasser (stålskall, aluminiumsskall, nikkelbelagte jernskall osv.) og myke kasser (aluminiumsplastfilm).
Under lading de-interkalerer litiumioner fra katoden og interkalerer inn i anoden; det motsatte skjer under utlading. Én elektrode må være i litium-interkalert tilstand før montering. Litium-interkalerte overgangsmetalloksider med et potensial høyere enn 3 V i forhold til litium og stabile i luft velges vanligvis som katodematerialer, slik som LiCoO₂, LiNiO₂ og LiMn₂O4.
Anodematerialer er litium-interkalerbare forbindelser med potensialer så nær litiums potensiale som mulig, inkludert ulike karbonmaterialer (naturlig grafitt, syntetisk grafitt, karbonfiber, mesokarbon-mikroperler, etc.) og metalloksider som SnO, SnO₂ og tinnkomposittoksider SnB₧}P,{O2}P. y=0.6–0.4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolytten bruker et blandet løsningsmiddelsystem av alkylkarbonater som etylenkarbonat (EC), propylenkarbonat (PC) og lavviskøs dietylkarbonat (DEC) oppløst med LiPF₆.
Separatorer er mikroporøse polyolefinfilmer av PE, PP eller deres kompositter. Spesielt har PP/PE/PP trelags separatorer et lavt smeltepunkt og høy punkteringsmotstand, og fungerer som en termisk sikkerhetssikring.
Kofferter er laget av stål eller aluminium, og dekselsammenstillinger er utstyrt med eksplosjonssikre og strømavbrytende funksjoner.
Grunnleggende arbeidsprinsipp
Når batteriet er ladet, ekstraheres litiumioner fra litiumholdige forbindelser i katoden og migrerer gjennom elektrolytten til anoden. Karbonmaterialet til anoden har en lagdelt struktur med mange mikroporer, hvor litiumioner er innebygd. Flere innebygde litiumioner betyr høyere ladekapasitet.
Under utlading (når batteriet er i bruk), blir litiumioner innebygd i karbonlagene til anoden ekstrahert og migrert tilbake til katoden. Flere litiumioner som returnerer til katoden tilsvarer høyere utladningskapasitet. Batterikapasiteten vi vanligvis refererer til er utladingskapasiteten.
Under lade- og utladingssykluser for litiumion-batterier, beveger litiumioner seg frem og tilbake mellom katoden og anoden. Dette er analogt med en gyngestol: de to endene av stolen representerer de to elektrodene, og litiumioner beveger seg gjentatte ganger mellom dem. Derfor er litiumionbatterier også kjent som gyngestolbatterier.
Lade-utladningsmekanisme
Ladeprosessen til litiumionbatterier består av to trinn: konstantstrømlading og konstantspenningslading med gradvis avtagende strøm.
Overlading og overutlading forårsaker permanent skade på katoden og anoden. Overutladning fører til kollaps av den lagdelte strukturen til anodekarbon, og forhindrer litiumioner i å interkalere under påfølgende lading. Overlading legger inn overflødige litiumioner i anodekarbonstrukturen, og etterlater noen litiumioner permanent ikke-ekstraherbare.
Det optimale lade- og utladingsmønsteret for å opprettholde litiumionbatteriytelsen er grunn lading og grunn utlading. Generelt er sykluslevetiden under 60 % utladningsdybde (DOD) 2–4 ganger den under 100 % DOD.
