Components principals de les bateries d'ions de liti
(1) Càtode (elèctrode positiu)– Els materials actius inclouen principalment òxid de cobalt de liti, manganat de liti, fosfat de ferro de liti, òxid de níquel de liti, materials ternaris de níquel-cobalt-manganès, etc. El paper d'alumini amb un gruix de 10 a 20 micròmetres s'utilitza generalment com a col·lector de corrent conductor.
(2) Separador– Una membrana plàstica especial que permet el pas dels ions de liti mentre aïlla els electrons. Actualment, està fet principalment de PE, PP o els seus compostos. També hi ha separadors de sòlids inorgànics; per exemple, un separador recobert d'alúmina és un tipus de separador sòlid inorgànic.
(3) Ànode (elèctrode negatiu)– Els materials actius inclouen principalment grafit, titanat de liti o materials de carboni amb estructures semblants al grafit. La làmina de coure amb un gruix de 7 a 15 micròmetres s'utilitza habitualment com a col·lector de corrent conductor.
(4) Electròlit– Generalment un sistema orgànic, com ara dissolvents basats en carbonats dissolts amb hexafluorofosfat de liti. Algunes bateries de polímer adopten electròlits de tipus gel.
(5) Caixa de bateria– Dividit principalment en estoigs durs (carbes d'acer, carcassa d'alumini, carcassa de ferro niquelat, etc.) i caixes soft-pack (pel·lícula d'alumini-plàstic).
Durant la càrrega, els ions de liti es desintercalen del càtode i s'intercalen a l'ànode; el contrari es produeix durant la descàrrega. Un elèctrode ha d'estar en estat intercalat amb liti abans del muntatge. Els òxids de metalls de transició intercalats amb liti amb un potencial superior a 3 V en relació amb el liti i estables a l'aire es seleccionen generalment com a materials càtodics, com ara LiCoO₂, LiNiO₂ i LiMn₂O₄.
Els materials de l'ànode són compostos intercalables amb liti amb potencials tan propers com sigui possible al del liti, incloent-hi diversos materials de carboni (grafit natural, grafit sintètic, fibra de carboni, microbioles de mesocarboni, etc.) i òxids metàl·lics com SnO, SnO₂ i òxids compostos d'estany SnBₓ}-Pᵧ,{2_z y=0.6–0,4, z=({2 + 3x + 5y)/2).
L'electròlit adopta un sistema de dissolvents mixtes de carbonats d'alquil com el carbonat d'etilè (EC), el carbonat de propilè (PC) i el carbonat de dietil de baixa viscositat (DEC) dissolts amb LiPF₆.
Els separadors són pel·lícules microporoses de poliolefina de PE, PP o els seus compostos. En particular, els separadors de tres capes PP/PE/PP presenten un baix punt de fusió i una alta resistència a la punxada, que serveixen com a fusible de seguretat tèrmica.
Les caixes estan fetes d'acer o d'alumini, i els conjunts de cobertes estan equipats amb funcions a prova d'explosió i de tall de corrent.
Principi de funcionament bàsic
Quan es carrega la bateria, els ions de liti s'extreuen dels compostos que contenen liti del càtode i migren a través de l'electròlit fins a l'ànode. El material de carboni de l'ànode té una estructura en capes amb nombrosos microporus, on s'incorporen ions de liti. Més ions de liti incrustats signifiquen una capacitat de càrrega més gran.
Durant la descàrrega (quan la bateria està en ús), els ions de liti incrustats a les capes de carboni de l'ànode s'extreuen i migren de nou al càtode. Més ions de liti que tornen al càtode corresponen a una major capacitat de descàrrega. La capacitat de la bateria a la qual ens referim normalment és la capacitat de descàrrega.
Durant els cicles de càrrega i descàrrega de les bateries d'ions de liti, els ions de liti es mouen d'anada i tornada entre el càtode i l'ànode. Això és anàleg a una cadira de balanceig: els dos extrems de la cadira representen els dos elèctrodes i els ions de liti es mouen repetidament entre ells. Per tant, les bateries d'ions de liti també es coneixen com a bateries de cadires de balanceig.
Mecanisme de càrrega-descàrrega
El procés de càrrega de les bateries d'ions de liti consta de dues etapes: càrrega de corrent constant i càrrega de tensió constant amb corrent decreixent gradualment.
La sobrecàrrega i la sobredescàrrega causen danys permanents al càtode i ànode. La descàrrega excessiva condueix al col·lapse de l'estructura en capes de carboni de l'ànode, evitant que els ions de liti s'intercalin durant la càrrega posterior. La sobrecàrrega incrusta ions de liti excessius a l'estructura de carboni de l'ànode, deixant alguns ions de liti permanentment no extraïbles.
El patró de càrrega i descàrrega òptim per mantenir el rendiment de la bateria d'ions de liti és la càrrega superficial i la descàrrega superficial. En general, la vida del cicle per sota del 60% de profunditat de descàrrega (DOD) és de 2 a 4 vegades més que per sota del 100% de DOD.
