Hlavné komponenty lítium-iónových batérií
(1) Katóda (pozitívna elektróda)– Medzi aktívne materiály patria najmä oxid lítny kobaltnatý, manganistan lítny, fosforečnan lítno-železitý, oxid lítny a nikelnatý, nikel-kobalt-mangánové ternárne materiály atď. Ako vodivý zberač prúdu sa spravidla používa hliníková fólia s hrúbkou 10–20 mikrometrov.
(2) Oddeľovač– Špeciálna plastová membrána, ktorá umožňuje prechod lítiových iónov a zároveň izoluje elektróny. V súčasnosti sa vyrába najmä z PE, PP alebo ich kompozitov. Existujú tiež anorganické separátory pevných látok; napríklad separátor potiahnutý oxidom hlinitým je typ separátora anorganických pevných látok.
(3) Anóda (záporná elektróda)– Medzi aktívne materiály patrí najmä grafit, titaničitan lítny alebo uhlíkové materiály so štruktúrami podobnými grafitu. Ako vodivý zberač prúdu sa bežne používa medená fólia s hrúbkou 7–15 mikrometrov.
(4) Elektrolyt– Vo všeobecnosti organický systém, ako sú rozpúšťadlá na báze uhličitanu rozpustené s hexafluorofosfátom lítnym. Niektoré polymérové batérie používajú elektrolyty gélového typu.
(5) Puzdro na batérie– Delí sa hlavne na pevné obaly (oceľové mušle, hliníkové mušle, poniklované železné mušle atď.) a mäkké obaly (hliníkovo-plastová fólia).
Počas nabíjania sa lítiové ióny deinterkalujú z katódy a interkalujú do anódy; pri vybíjaní nastáva opak. Jedna elektróda musí byť pred montážou v stave interkalovaného lítia. Oxidy prechodných kovov interkalované lítiom s potenciálom vyšším ako 3 V vzhľadom na lítium a stabilné na vzduchu sa vo všeobecnosti vyberajú ako katódové materiály, ako je LiCoO2, LiNiO2 a LiMn204.
Anódové materiály sú lítium-interkalovateľné zlúčeniny s potenciálom čo najbližšie k potenciálu lítia, vrátane rôznych uhlíkových materiálov (prírodný grafit, syntetický grafit, uhlíkové vlákna, mezokarbónové mikroguľôčky atď.) a oxidov kovov, ako sú SnO, SnO₂ a kompozitné oxidy cínu SnBₓPᵧO_z (x{{2}-y}-0.}6). z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolyt využíva zmesový rozpúšťadlový systém alkylkarbonátov, ako je etylénkarbonát (EC), propylénkarbonát (PC) a nízkoviskózny dietylkarbonát (DEC) rozpustený v LiPF₆.
Separátory sú polyolefínové mikroporézne fólie z PE, PP alebo ich kompozitov. Najmä trojvrstvové separátory PP/PE/PP sa vyznačujú nízkym bodom topenia a vysokou odolnosťou proti prepichnutiu a slúžia ako tepelná bezpečnostná poistka.
Puzdrá sú vyrobené z ocele alebo hliníka a zostavy krytu sú vybavené funkciou ochrany proti výbuchu a funkciou vypnutia prúdu.
Základný pracovný princíp
Keď je batéria nabitá, lítiové ióny sa extrahujú zo zlúčenín obsahujúcich lítium v katóde a migrujú cez elektrolyt k anóde. Uhlíkový materiál anódy má vrstvenú štruktúru s početnými mikropórmi, kde sú vložené lítiové ióny. Viac zabudovaných lítiových iónov znamená vyššiu nabíjaciu kapacitu.
Počas vybíjania (keď sa batéria používa) sa lítiové ióny uložené v uhlíkových vrstvách anódy extrahujú a migrujú späť ku katóde. Viac lítiových iónov vracajúcich sa na katódu zodpovedá vyššej vybíjacej kapacite. Kapacita batérie, ktorú bežne označujeme, je kapacita vybíjania.
Počas cyklov nabíjania a vybíjania lítium-iónových batérií sa lítiové ióny pohybujú tam a späť medzi katódou a anódou. Je to analogické s hojdacím kreslom: dva konce kresla predstavujú dve elektródy a lítiové ióny sa medzi nimi opakovane pohybujú. Lítium-iónové batérie sú preto známe aj ako batérie do hojdacích kresiel.
Mechanizmus nabíjania a vybíjania
Proces nabíjania lítium-iónových batérií pozostáva z dvoch fáz: nabíjanie konštantným prúdom a nabíjanie konštantným napätím s postupne klesajúcim prúdom.
Prebíjanie a nadmerné vybíjanie spôsobuje trvalé poškodenie katódy a anódy. Nadmerné vybitie vedie ku kolapsu vrstvenej štruktúry anódového uhlíka, čo zabraňuje interkalácii lítiových iónov počas následného nabíjania. Nadmerné nabíjanie vkladá nadmerné lítiové ióny do uhlíkovej štruktúry anódy, takže niektoré lítiové ióny sú trvalo neextrahovateľné.
Optimálny spôsob nabíjania a vybíjania na udržanie výkonu lítium-iónovej batérie je plytké nabíjanie a plytké vybíjanie. Vo všeobecnosti je životnosť cyklu pod 60% hĺbkou vybitia (DOD) 2-4 krát väčšia ako pri 100% DOD.
