Huvudkomponenter i litiumjonbatterier
(1) Katod (positiv elektrod)– De aktiva materialen inkluderar främst litiumkoboltoxid, litiummanganat, litiumjärnfosfat, litiumnickeloxid, nickel-kobolt-mangan ternära material etc. Aluminiumfolie med en tjocklek på 10–20 mikrometer används vanligtvis som ledande strömavtagare.
(2) Separator– Ett speciellt plastmembran som låter litiumjoner passera samtidigt som elektroner isoleras. För närvarande är den huvudsakligen gjord av PE, PP eller deras kompositer. Det finns även oorganiska fasta separatorer; till exempel är en aluminiumoxidbelagd separator en typ av oorganisk fast separator.
(3) Anod (negativ elektrod)– De aktiva materialen inkluderar huvudsakligen grafit, litiumtitanat eller kolmaterial med grafitliknande strukturer. Kopparfolie med en tjocklek på 7–15 mikrometer används vanligtvis som ledande strömavtagare.
(4) Elektrolyt– Vanligtvis ett organiskt system, såsom karbonatbaserade lösningsmedel lösta med litiumhexafluorfosfat. Vissa polymerbatterier använder elektrolyter av geltyp.
(5) Batteriväska– Huvudsakligen indelade i hårda fodral (stålskal, aluminiumskal, förnicklade järnskal etc.) och mjuka fodral (aluminiumplastfilm).
Under laddning deinterkaleras litiumjoner från katoden och interkaleras in i anoden; det omvända inträffar under urladdning. En elektrod måste vara i ett litium-interkalerat tillstånd före montering. Litium-interkalerade övergångsmetalloxider med en potential högre än 3 V i förhållande till litium och stabila i luft väljs i allmänhet som katodmaterial, såsom LiCoO₂, LiNiO₂ och LiMn₂O4.
Anodmaterial är litium-interkalerbara föreningar med potentialer så nära litiums potential som möjligt, inklusive olika kolmaterial (naturlig grafit, syntetisk grafit, kolfiber, mesokarbonmikropärlor, etc.) och metalloxider som SnO, SnO₂ och tennkompositoxider SnB₧}P,{O2}P. y=0.6–0.4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolyten använder ett blandat lösningsmedelssystem av alkylkarbonater som etylenkarbonat (EC), propylenkarbonat (PC) och lågviskös dietylkarbonat (DEC) löst med LiPF₆.
Separatorer är mikroporösa polyolefinfilmer av PE, PP eller deras kompositer. I synnerhet har PP/PE/PP treskiktsseparatorer en låg smältpunkt och hög punkteringsbeständighet, vilket fungerar som en termisk säkerhetssäkring.
Höljen är gjorda av stål eller aluminium och kåpenheterna är utrustade med explosionssäkra och strömavstängningsfunktioner.
Grundläggande arbetsprincip
När batteriet är laddat extraheras litiumjoner från litiumhaltiga föreningar i katoden och migrerar genom elektrolyten till anoden. Anodens kolmaterial har en skiktad struktur med många mikroporer, där litiumjoner är inbäddade. Fler inbäddade litiumjoner betyder högre laddningskapacitet.
Under urladdning (när batteriet används) extraheras litiumjoner inbäddade i anodens kolskikt och migrerar tillbaka till katoden. Fler litiumjoner som återgår till katoden motsvarar högre urladdningskapacitet. Batterikapaciteten vi normalt refererar till är urladdningskapaciteten.
Under laddnings- och urladdningscykler för litiumjonbatterier pendlar litiumjoner fram och tillbaka mellan katoden och anoden. Detta är analogt med en gungstol: stolens två ändar representerar de två elektroderna, och litiumjoner rör sig upprepade gånger mellan dem. Därför är litiumjonbatterier också kända som gungstolsbatterier.
Laddningsurladdningsmekanism
Laddningsprocessen för litiumjonbatterier består av två steg: konstant strömladdning och konstant spänningsladdning med gradvis minskande ström.
Överladdning och överurladdning orsakar permanent skada på katoden och anoden. Överurladdning leder till kollaps av den skiktade strukturen av anodkol, vilket förhindrar att litiumjoner interkaleras under efterföljande laddning. Överladdning bäddar in överskott av litiumjoner i anodens kolstruktur, vilket gör att vissa litiumjoner permanent inte kan extraheras.
Det optimala laddnings-urladdningsmönstret för att bibehålla litiumjonbatteriets prestanda är ytlig laddning och ytlig urladdning. Generellt är cykellivslängden under 60 % urladdningsdjup (DOD) 2–4 gånger den under 100 % DOD.
