Główne elementy akumulatorów litowo-jonowych
(1) Katoda (elektroda dodatnia)– Do materiałów aktywnych zaliczają się głównie tlenek litu, kobaltu, manganian litu, fosforan litu i żelaza, tlenek litu i niklu, materiały trójskładnikowe niklowo-kobaltowo-manganowe itp. Jako przewodzący kolektor prądu powszechnie stosowana jest folia aluminiowa o grubości 10–20 mikrometrów.
(2) Separator– Specjalna membrana z tworzywa sztucznego, która umożliwia przejście jonów litu, izolując jednocześnie elektrony. Obecnie produkowany jest głównie z PE, PP lub ich kompozytów. Istnieją również separatory substancji nieorganicznych; na przykład separator pokryty tlenkiem glinu jest rodzajem separatora substancji stałych nieorganicznych.
(3) Anoda (elektroda ujemna)– Do materiałów aktywnych zaliczają się głównie grafit, tytanian litu lub materiały węglowe o strukturze przypominającej grafit. Jako przewodzący kolektor prądu powszechnie stosuje się folię miedzianą o grubości 7–15 mikrometrów.
(4) Elektrolit– Generalnie układ organiczny, taki jak rozpuszczalniki na bazie węglanów rozpuszczone w heksafluorofosforanie litu. W niektórych akumulatorach polimerowych zastosowano elektrolity żelowe.
(5) Obudowa baterii– Dzielimy się głównie na obudowy twarde (skorupy stalowe, obudowy aluminiowe, obudowy z niklowanego żelaza itp.) i obudowy typu soft-pack (folia aluminiowo-plastikowa).
Podczas ładowania jony litu ulegają deinterkalacji z katody i interkalacji do anody; podczas rozładowywania następuje odwrotna sytuacja. Przed montażem jedna elektroda musi znajdować się w stanie interkalowanym litem. Jako materiały katodowe zazwyczaj wybiera się tlenki metali przejściowych interkalowane litem o potencjale wyższym niż 3 V w stosunku do litu i stabilne w powietrzu, takie jak LiCoO₂, LiNiO₂ i LiMn₂O₄.
Materiały anodowe to związki interkalowalne litem o potencjałach jak najbardziej zbliżonych do litu, w tym różne materiały węglowe (grafit naturalny, grafit syntetyczny, włókno węglowe, mikrokulki mezowęglowe itp.) oraz tlenki metali, takie jak SnO, SnO₂ i kompozytowe tlenki cyny SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
W elektrolicie zastosowano mieszany układ rozpuszczalników składający się z węglanów alkilu, takich jak węglan etylenu (EC), węglan propylenu (PC) i węglan dietylu o niskiej lepkości (DEC) rozpuszczony w LiPF₆.
Separatorami są mikroporowate folie poliolefinowe z PE, PP lub ich kompozytów. W szczególności separatory trójwarstwowe PP/PE/PP charakteryzują się niską temperaturą topnienia i dużą odpornością na przebicie, pełniąc funkcję bezpiecznika termicznego.
Obudowy wykonane są ze stali lub aluminium, a zespoły pokryw wyposażone są w funkcję przeciwwybuchową i odcinającą zasilanie.
Podstawowa zasada działania
Kiedy akumulator jest ładowany, jony litu są wyodrębniane ze związków zawierających lit w katodzie i migrują przez elektrolit do anody. Materiał węglowy anody ma budowę warstwową z licznymi mikroporami, w których osadzone są jony litu. Więcej osadzonych jonów litu oznacza większą pojemność ładowania.
Podczas rozładowywania (gdy akumulator jest używany) jony litu osadzone w warstwach węgla anody są oddzielane i migrują z powrotem do katody. Więcej jonów litu powracających do katody odpowiada większej pojemności rozładowania. Pojemność akumulatora, o której zwykle mówimy, to pojemność rozładowania.
Podczas cykli ładowania i rozładowywania akumulatorów litowo-jonowych jony litu przemieszczają się tam i z powrotem pomiędzy katodą a anodą. Jest to analogiczne do fotela bujanego: dwa końce fotela reprezentują dwie elektrody, a jony litu wielokrotnie przemieszczają się między nimi. Dlatego akumulatory litowo-jonowe nazywane są także akumulatorami do foteli bujanych.
Mechanizm ładowania i rozładowania
Proces ładowania akumulatorów litowo-jonowych składa się z dwóch etapów: ładowania stałym prądem i ładowania stałym napięciem, stopniowo zmniejszającym się prądem.
Nadmierne ładowanie i nadmierne rozładowanie powodują trwałe uszkodzenie katody i anody. Nadmierne rozładowanie prowadzi do zapadnięcia się warstwowej struktury węgla anodowego, zapobiegając interkalacji jonów litu podczas kolejnego ładowania. Nadmierne ładowanie powoduje osadzenie nadmiaru jonów litu w strukturze węgla anody, w wyniku czego niektóre jony litu są trwale niezdatne do ekstrakcji.
Optymalny schemat ładowania i rozładowania zapewniający utrzymanie wydajności akumulatora litowo-jonowego to płytkie ładowanie i płytkie rozładowywanie. Ogólnie rzecz biorąc, żywotność cyklu poniżej 60% głębokości rozładowania (DOD) jest 2–4 razy większa niż poniżej 100% DOD.
