A baterie litiu-ioneste o baterie reîncărcabilă care utilizează două materiale capabile să introducă și să deintercaleze în mod reversibil ionii de litiu ca electrozi pozitivi și respectiv negativi. În timpul încărcării, atomii de litiu din electrodul pozitiv ionizează în ioni de litiu și electroni liberi.
Acești ioni de litiu migrează apoi către electrodul negativ și se combină cu electronii liberi de acolo pentru a forma atomi de litiu. Dimpotrivă, în timpul descărcării, atomii de litiu de la electrodul negativ se reionizează în ioni de litiu și electroni liberi și apoi se recombină la electrodul pozitiv pentru a forma din nou atomi de litiu. Prin urmare, pe parcursul întregului ciclu de încărcare-descărcare, litiul există întotdeauna sub formă ionică și niciodată sub formă de litiu metalic, motiv pentru care acest tip de baterie se numește baterie litiu-ion. Pe baza diferitelor modele, cele mai comune baterii cu litiu-ion de pe piață sunt celulele cu pungă, celulele cilindrice și celulele buton. Materialul electrodului pozitiv al bateriilor cu litiu-ion este de obicei un compus-bogat în litiu, cum ar fi LiCoO2, LiFePO4, LiNiO și LiMnzO2. Materialul electrodului negativ al bateriilor-litiu se bazează în principal pe grafit. În ceea ce privește electrolitul, se folosesc în general soluții de săruri specifice de litiu (cum ar fi LiPF6, LiASF6 și LiCIO4) dizolvate în solvenți organici. Acești solvenți organici pot fi carbonat de etilenă (EC) sau carbonat de dietil (DEC) etc. Când bateria este într-un ciclu de încărcare-descărcare, ionii de litiu migrează înainte și înapoi între electrozii pozitivi și negativi. Acest proces este descris figurativ ca o „baterie de scaun balansoar”, așa cum se arată în diagrama de mai jos.
Luând ca exemplu bateriile litiu-ion cu oxid de litiu cobalt (LiCoO2) ca electrod pozitiv și grafitul ca electrod negativ, expresia electrochimică este: (-)CI LiPF(EC+ DEC) / LiCoO2(+).
Reacția electrodului pozitiv:
Reacția electrodului negativ:5.2
Reacția generală: 5.3
În esență, o baterie litiu-ion poate fi văzută ca un dispozitiv care funcționează pe baza diferențelor de concentrație de litiu-ion. În timpul încărcării, ionii de litiu sunt eliberați din materialul electrodului pozitiv, trec prin electrolit și se înglobează în materialul electrodului negativ, făcând electrodul negativ bogat în litiu-în timp ce electrodul pozitiv sărac-litiu. Simultan, pentru a menține echilibrul de încărcare al întregului sistem, electronii corespunzători sunt furnizați electrodului negativ pe bază de carbon- printr-un circuit extern. În schimb, în timpul descărcării, ionii de litiu migrează de la electrodul negativ la electrodul pozitiv, determinând electrodul pozitiv să devină bogat-litiu. În mod normal, în timpul ciclurilor normale de încărcare-descărcare, ionii de litiu înglobează și extrag în mod repetat între materialele carbonice stratificate și oxizi. Acest proces se manifestă în primul rând ca modificări ale distanței dintre straturi și nu perturbă structura cristalină de bază a materialelor. Prin urmare, din perspectiva reversibilității reacțiilor, modificările chimice dintr-o baterie cu litiu-ion sunt considerate un proces reversibil extrem de ideal. O baterie litiu-ion cuprinde patru componente de bază: electrozi, electrolit, separator și carcasă. Electrozii sunt componenta centrală a unei baterii cu litiu-ion, constând din materiale active, agenți conductivi, lianți și colectoare de curent. Materialele active (sau materialele electrozilor) sunt materialele electrozilor din bateriile-litiu care eliberează energie electrică prin reacții electrochimice în timpul încărcării și descărcării. Acestea determină performanța electrochimică și caracteristicile de bază ale bateriilor cu litiu-ion. Materialele active includ materiale pentru electrozi pozitivi și materiale pentru electrozi negativi. Materialele electrozilor pozitivi sunt în principal compuși metalici compoziți sub formă de pulbere cu potențiale relativ ridicate (față de electrozii cu litiu metalic), cum ar fi LiCoO₂, LiMnO₄, LiNi₁-x-Co:MnyO₂, LiCo:Ni{-O₂ și LiFePO₂.
Materialele electrozilor negativi includ materiale de carbon, materiale aliaje și materiale cu oxid de metal. În prezent, principalele materiale pentru electrozi pozitivi și negativi pentru bateriile cu litiu-ion utilizate pe scară largă în dispozitivele portabile sunt LiCoO₂ și, respectiv, grafitul. În plus, agenții conductivi (cum ar fi negru de acetilenă) sunt de obicei adăugați în timpul fabricării electrozilor pentru a îmbunătăți conductivitatea materialelor electrozilor pozitivi și negativi pentru a satisface mai bine nevoile de aplicare practice ale bateriilor cu litiu-ion. Pentru a asigura că materialele granulare ale electrodului pozitiv și negativ și agenții conductivi aderă ferm la colectorul de curent, se adaugă de obicei un liant. Lianții obișnuiți sunt clasificați ca pe bază de ulei-și pe bază de apă-. Lianții pe bază de ulei includ în principal fluorură de poliviniliden (PVDF) și politetrafluoretilenă (PTFE), în timp ce lianții pe bază de apă sunt în principal cauciuc carboximetil celuloză/stiren-butadienă (CMC/SBR). Funcția principală a colectorului de curent este de a conduce electronii din materialul activ și de a distribui curentul în mod uniform, susținând în același timp materialul activ. În general, colectoarele de curent trebuie să aibă rezistență mecanică ridicată, stabilitate chimică bună și conductivitate ridicată. Colectorul de curent pentru electrodul pozitiv este folie de aluminiu, iar colectorul de curent pentru electrodul negativ este folie de cupru.
Rolul electrolitului este de a conduce ionii de litiu între electrozii pozitivi și negativi. Alegerea electrolitului determină în mare măsură principiul de funcționare al bateriei și îi afectează energia specifică, performanța de siguranță, performanța ciclului, performanța ratei, performanța la temperatură scăzută-și performanța de stocare. În prezent, bateriile cu litiu-ion disponibile în comerț folosesc în principal sisteme electrolitice non-apoase, care includ solvenți organici și săruri conductoare de litiu. Solventul organic este componenta principală a electrolitului și este strâns legat de performanța acestuia; este de obicei un amestec de solvenți organici, cum ar fi carbonatul de etilenă, carbonatul de propilenă, carbonatul de dimetil și carbonatul de metil etil. Sarea conductivă de litiu furnizează ionii de litiu care sunt transportați între electrozii pozitivi și negativi și este compusă din anioni anorganici sau organici și ioni de litiu. În prezent, principala sare de litiu conductivă disponibilă comercial este LiPF6. În noua eră, pentru a îmbunătăți performanța electrochimică a bateriilor cu litiu-ion și pentru a realiza anumite funcții speciale, aditivi funcționali, cum ar fi retardanții de flacără, sunt adesea adăugați la electrolit.
În designul bateriei cu litiu-ion, separatorul este situat între electrozii pozitivi și negativi, iar funcția sa principală este de a preveni contactul direct între cei doi electrozi, evitând astfel scurtcircuitele. Simultan, structura microporoasă unică a acestui material permite ionilor de litiu să treacă liber. Separatorul joacă un rol crucial în capacitatea de stocare a bateriei, durata de viață și siguranța generală; prin urmare, utilizarea unui separator de-înaltă calitate poate îmbunătăți semnificativ performanța electrochimică generală a bateriei. În prezent, cele mai utilizate tipuri de separatoare de pe piață sunt peliculele de înaltă-rezistență din poliolefine, inclusiv produse poroase din polipropilenă și polietilenă, precum și produsele fabricate prin copolimerizarea propilenei și etilenei sau folosind numai homopolimer de polietilenă. Utilizarea de solvenți non-apoși în bateriile cu-litiu duce la o conductivitate mai scăzută-ionului de litiu, necesitând astfel o suprafață mare a electrodului. În plus, utilizarea unei structuri spiralate-în timpul asamblarii bateriei înseamnă că performanța bateriei depinde nu numai de electrozii înșiși, ci și de lianții utilizați la fabricarea bateriilor. Acești lianți trebuie să asigure uniformitatea și siguranța materialelor active în timpul fabricării electrodului, să lege efectiv materialele active de colectorul de curent, să faciliteze formarea unei pelicule de protecție SEI (interfaza solid-clectrolite) pe anodul de grafit, să mențină o stabilitate termică suficientă în timpul uscării și să fie umezite eficient de electrolit.
Carcasa exterioară este containerul unei baterii litiu-ion. Carcasele utilizate în mod obișnuit includ carcase din oțel, carcase din aluminiu și carcase din aluminiu-plastic compozit. În mod obișnuit, carcasa este necesară pentru a rezista la schimbările de temperaturi ridicate și scăzute și la coroziunea electrolitului.