Hlavní součásti lithium-iontových baterií
(1) Katoda (pozitivní elektroda)– Mezi aktivní materiály patří především oxid lithný kobaltnatý, manganistan lithný, fosforečnan lithný, oxid lithný a niklový, ternární materiály nikl-kobalt-mangan atd. Jako vodivý sběrač proudu se obecně používá hliníková fólie o tloušťce 10–20 mikrometrů.
(2) Oddělovač– Speciální plastová membrána, která umožňuje průchod iontů lithia a zároveň izoluje elektrony. V současnosti se vyrábí především z PE, PP nebo jejich kompozitů. Existují také anorganické separátory pevných látek; například separátor potažený oxidem hlinitým je typem separátoru anorganických pevných látek.
(3) Anoda (záporná elektroda)– Mezi aktivní materiály patří především grafit, titaničitan lithný nebo uhlíkové materiály se strukturou podobnou grafitu. Jako vodivý kolektor proudu se běžně používá měděná fólie o tloušťce 7–15 mikrometrů.
(4) Elektrolyt– Obecně organický systém, jako jsou rozpouštědla na bázi uhličitanu rozpuštěná s hexafluorfosfátem lithným. Některé polymerové baterie používají elektrolyty gelového typu.
(5) Pouzdro na baterie– Dělí se především na tvrdá pouzdra (ocelové skořepiny, hliníkové skořepiny, poniklované železné skořepiny atd.) a soft-pack pouzdra (hliník-plastová fólie).
Během nabíjení se ionty lithia deinterkalují z katody a interkalují do anody; při vybíjení dochází k opaku. Jedna elektroda musí být před montáží ve stavu vloženém do lithia. Lithiem interkalované oxidy přechodných kovů s potenciálem vyšším než 3 V vzhledem k lithiu a stabilními na vzduchu se obecně vybírají jako katodové materiály, jako je LiCoO₂, LiNiO₂ a LiMn₂O₄.
Anodové materiály jsou lithium-interkalovatelné sloučeniny s potenciálem co nejblíže lithiu, včetně různých uhlíkových materiálů (přírodní grafit, syntetický grafit, uhlíková vlákna, mezokarbonové mikrokuličky atd.) a oxidů kovů, jako jsou SnO, SnO₂ a kompozitní oxidy cínu SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0.}6). z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolyt využívá směsný rozpouštědlový systém alkylkarbonátů, jako je ethylenkarbonát (EC), propylenkarbonát (PC) a nízkoviskózní diethylkarbonát (DEC) rozpuštěné v LiPF₆.
Separátory jsou polyolefinové mikroporézní fólie z PE, PP nebo jejich kompozitů. Zejména třívrstvé separátory PP/PE/PP se vyznačují nízkým bodem tání a vysokou odolností proti proražení, které slouží jako tepelná bezpečnostní pojistka.
Pouzdra jsou vyrobena z oceli nebo hliníku a sestavy krytů jsou vybaveny funkcemi pro ochranu proti výbuchu a vypnutím proudu.
Základní pracovní princip
Když je baterie nabitá, ionty lithia jsou extrahovány ze sloučenin obsahujících lithium v katodě a migrují přes elektrolyt k anodě. Uhlíkový materiál anody má vrstvenou strukturu s četnými mikropóry, kde jsou uloženy ionty lithia. Více zabudovaných lithiových iontů znamená vyšší nabíjecí kapacitu.
Během vybíjení (když se baterie používá) se ionty lithia uložené v uhlíkových vrstvách anody extrahují a migrují zpět ke katodě. Více lithiových iontů vracejících se ke katodě odpovídá vyšší vybíjecí kapacitě. Kapacita baterie, kterou běžně označujeme, je kapacita vybíjení.
Během cyklů nabíjení a vybíjení lithium-iontových baterií se lithium-ionty pohybují tam a zpět mezi katodou a anodou. To je analogické s houpacím křeslem: dva konce křesla představují dvě elektrody a ionty lithia se mezi nimi opakovaně pohybují. Proto jsou lithium-iontové baterie také známé jako baterie pro houpací křesla.
Mechanismus nabíjení a vybíjení
Proces nabíjení lithium-iontových baterií se skládá ze dvou fází: nabíjení konstantním proudem a nabíjení konstantním napětím s postupně klesajícím proudem.
Přebíjení a nadměrné vybíjení způsobuje trvalé poškození katody a anody. Nadměrné vybíjení vede ke zhroucení vrstvené struktury anodového uhlíku, což zabraňuje interkalaci lithiových iontů během následného nabíjení. Přebíjení zabudovává nadměrné ionty lithia do uhlíkové struktury anody, takže některé ionty lithia jsou trvale neextrahovatelné.
Optimálním vzorem nabíjení a vybíjení pro udržení výkonu lithium-iontové baterie je mělké nabíjení a mělké vybíjení. Obecně je životnost cyklu pod 60% hloubkou vybití (DOD) 2–4krát větší než pod 100% DOD.
