Pagrindiniai ličio jonų akumuliatorių komponentai
(1) Katodas (teigiamas elektrodas)– Veikliosios medžiagos daugiausia yra ličio kobalto oksidas, ličio manganatas, ličio geležies fosfatas, ličio nikelio oksidas, nikelio-kobalto-mangano trinarės medžiagos ir kt. Kaip laidžios srovės kolektorius paprastai naudojama 10–20 mikrometrų storio aliuminio folija.
(2) Atskyriklis– Speciali plastikinė membrana, leidžianti pro ją prasiskverbti ličio jonams izoliuojant elektronus. Šiuo metu jis daugiausia pagamintas iš PE, PP arba jų kompozitų. Taip pat yra neorganinių kietųjų medžiagų separatorių; pavyzdžiui, aliuminio oksidu dengtas separatorius yra neorganinių kietųjų medžiagų separatoriaus tipas.
(3) Anodas (neigiamas elektrodas)– Veikliosios medžiagos daugiausia apima grafitą, ličio titanatą arba anglies medžiagas, kurių struktūra panaši į grafitą. Vario folija, kurios storis 7–15 mikrometrų, dažniausiai naudojama kaip laidžios srovės kolektorius.
(4) Elektrolitas– Paprastai organinė sistema, pvz., karbonato pagrindu pagaminti tirpikliai, ištirpinti ličio heksafluorofosfatu. Kai kurios polimerinės baterijos naudoja gelio tipo elektrolitus.
(5) Akumuliatoriaus dėklas– Daugiausia skirstomi į kietus dėklus (plieninius korpusus, aliuminio korpusus, nikeliuotus geležinius korpusus ir kt.) ir minkštus dėklus (aliuminio-plastiko plėvelę).
Įkrovimo metu ličio jonai atsiskiria nuo katodo ir įsiterpia į anodą; iškrovimo metu vyksta atvirkščiai. Prieš sumontuojant vienas elektrodas turi būti įterptas į litį. Ličio interkaluoti pereinamojo metalo oksidai, kurių potencialas didesnis nei 3 V, palyginti su ličiu, ir stabilūs ore, paprastai pasirenkami kaip katodinės medžiagos, tokios kaip LiCoO₂, LiNiO₂ ir LiMn₂O4.
Anodo medžiagos yra su ličiu susiliejantys junginiai, kurių potencialas yra kuo panašesnis į ličio potencialą, įskaitant įvairias anglies medžiagas (natūralų grafitą, sintetinį grafitą, anglies pluoštą, mezoanglies mikrogranulius ir kt.) ir metalų oksidus, tokius kaip SnO, SnO₂ ir alavo kompozitinius oksidus SnBₓ}Phx.0.0. y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolitas naudoja mišrią alkilkarbonatų, tokių kaip etileno karbonatas (EC), propileno karbonatas (PC) ir mažo klampumo dietilo karbonatas (DEC), tirpiklių sistemą, ištirpintą LiPF₆.
Separatoriai yra poliolefino mikroporingos PE, PP arba jų kompozitų plėvelės. Visų pirma, PP/PE/PP trijų sluoksnių separatoriai pasižymi žema lydymosi temperatūra ir dideliu atsparumu pradūrimui, tarnauja kaip šiluminės saugos saugiklis.
Korpusai pagaminti iš plieno arba aliuminio, o dangtelių mazgai aprūpinti sprogimui atspariomis ir maitinimo išjungimo funkcijomis.
Pagrindinis darbo principas
Kai akumuliatorius įkraunamas, ličio jonai išgaunami iš katode esančių ličio junginių ir per elektrolitą migruoja į anodą. Anodo anglies medžiaga turi sluoksninę struktūrą su daugybe mikroporų, kuriose yra įterpti ličio jonai. Daugiau įterptų ličio jonų reiškia didesnę įkrovimo talpą.
Iškrovimo metu (kai naudojamas akumuliatorius) į anodo anglies sluoksnius įterpti ličio jonai ištraukiami ir migruoja atgal į katodą. Daugiau į katodą grįžtančių ličio jonų atitinka didesnę iškrovos talpą. Baterijos talpa, kurią paprastai vadiname, yra iškrovimo talpa.
Ličio jonų akumuliatorių įkrovimo ir iškrovimo ciklų metu ličio jonai juda pirmyn ir atgal tarp katodo ir anodo. Tai panašu į supamą kėdę: du kėdės galai žymi du elektrodus, o ličio jonai nuolat juda tarp jų. Todėl ličio jonų baterijos taip pat žinomos kaip supamųjų kėdžių baterijos.
Įkrovimo-iškrovimo mechanizmas
Ličio jonų akumuliatorių įkrovimo procesas susideda iš dviejų etapų: nuolatinės srovės įkrovimo ir nuolatinės įtampos įkrovimo palaipsniui mažėjančia srove.
Per didelis įkrovimas ir iškrovimas sukelia negrįžtamus katodo ir anodo pažeidimus. Per didelis iškrovimas sukelia anodo anglies sluoksniuotos struktūros žlugimą, neleidžiant ličio jonams įsiterpti vėlesnio įkrovimo metu. Per didelis įkrovimas į anodo anglies struktūrą įterpia per daug ličio jonų, todėl kai kurie ličio jonai lieka neišskiriami visam laikui.
Optimalus įkrovimo ir iškrovimo modelis, siekiant išlaikyti ličio jonų akumuliatoriaus veikimą, yra seklus įkrovimas ir seklus iškrovimas. Paprastai ciklo trukmė esant 60 % iškrovos gylio (DOD) yra 2–4 kartus didesnė nei 100 % DOD.
