Будучи основним блоком накопичення та вивільнення енергії в системі технології літій-іонної батареї, елемент літій-іонної батареї є основним елементом, що визначає продуктивність, термін служби та безпеку акумуляторної батареї. По суті, він забезпечує ефективне перетворення хімічної енергії в електричну за допомогою оборотного введення та вилучення іонів літію між позитивним і негативним електродами, відіграючи незамінну роль у сучасному новому енергетичному полі. Глибоке розуміння структури, принципів і характеристик елементів літій-іонної батареї має вирішальне значення для розуміння траєкторії розвитку акумуляторних технологій і оптимізації прикладних рішень.
Конструктивно типовий елемент літій{0}}іонної батареї в основному складається з п’яти частин: позитивного електрода, негативного електрода, електроліту, сепаратора та корпусу. Матеріал позитивного електрода зазвичай містить шаруваті оксиди (такі як літій-нікель-кобальт-оксид марганцю та літій-нікель-кобальт-оксид алюмінію), фосфати олівіну (наприклад, фосфат літію-заліза) або оксид літію-марганцю типу шпінелі-, що відповідає за вивільнення іонів літію під час заряджання. Негативний електрод в основному складається з графіту, а деякі високоякісні-елементи використовують кремнієві-композитні матеріали для збільшення ємності; його функція полягає в отриманні та зберіганні іонів літію під час заряджання. Електроліт зазвичай є сумішшю органічних карбонатних розчинників і солей літію (таких як гексафторфосфат літію), що служить середовищем для іонної провідності. Сепаратор являє собою ізоляційний матеріал з мікропористою структурою, призначений для запобігання прямого контакту між позитивним і негативним електродами, таким чином запобігаючи коротким замиканням, дозволяючи іонам літію вільно проходити. Зовнішній корпус забезпечує механічний захист і герметичне середовище, як правило, у формі алюмінієвої-пластикової плівки (м’який пакет), сталевих або алюмінієвих корпусів.
Принцип роботи елемента літій-іонного акумулятора ґрунтується на електрохімічній окисно-відновній реакції. Під час заряджання під впливом прикладеного електричного поля іони літію вивільняються з решітки позитивного електрода, проходять через електроліт і сепаратор і проникають між шарами матеріалу негативного електрода. Електрони течуть до негативного електрода через зовнішній контур, перетворюючи електричну енергію в хімічну. Процес розряду зворотний: іони літію вивільняються з негативного електрода і повертаються на позитивний електрод, а електрони виконують роботу по зовнішньому ланцюгу, забезпечуючи електричну енергію навантаженню. Цей механізм реакції «крісла-гойдалки» надає літієвим батареям переваги високої щільності енергії та тривалого терміну служби, а також висуває суворі вимоги до стабільності матеріалу, сумісності між поверхнями та точності виробництва.
Експлуатаційні характеристики елемента батареї безпосередньо визначають сценарії його застосування. З точки зору щільності енергії високо{1}}нікелеві потрійні літій-іонні елементи можуть досягати 250-300 Вт-год/кг, що підходить для електромобілів із високими вимогами до запасу ходу; Літій-залізо-фосфатні елементи мають дещо нижчу щільність енергії (приблизно 150-200 Вт·год/кг), але володіють чудовою стабільністю та безпекою при високих{9}}температурних циклах і широко використовуються в накопичувачах енергії та комерційних транспортних засобах. Ефективність швидкості відображає високу -здатність елемента заряджати та розряджатися. Швидкісні характеристики можна покращити за допомогою нано-розміру матеріалу, оптимізації провідного агента та структурного дизайну, щоб відповідати вимогам швидкого заряджання та високої вихідної потужності. Тривалість циклу тісно пов’язана зі структурною стабільністю матеріалів електродів, однорідністю плівки SEI (плівки розділу твердого електроліту) і стійкістю електроліту до окислення. Високоякісні осередки можуть витримувати більше 2000 глибоких циклів при кімнатній температурі.
Безпека має першочергове значення в конструкції клітини. Теплова втеча є основним ризиком, що виникає внаслідок ланцюжка екзотермічних реакцій, спричинених надмірним заряджанням, коротким замиканням, високими температурами чи надмірним-розрядженням. Шляхом модифікації матеріалів (таких як покриття позитивного електрода та попереднього-літування негативного електрода), нанесення керамічного покриття на сепаратор, використання -антипіренових добавок до електроліту та розробки запобіжних клапанів можна значно покращити термічну стабільність і стійкість до неправильного використання елементів акумулятора. Крім того, контроль чистоти та послідовності виробничого процесу також має вирішальне значення; забруднення сторонніми речовинами або неправильне вирівнювання електродів може призвести до локальних мікро-коротких замикань, створюючи потенційну загрозу безпеці.
Зараз технологія елементів літій-іонної батареї розвивається в напрямку вищої щільності енергії, більшої безпеки, нижчої вартості та екологічності. Очікується, що застосування твердотільних-електролітів повністю усуне ризики витоку та займання, пов’язані з рідкими електролітами; розробка матеріалів для позитивних електродів без{3}}кобальту та з низьким вмістом{4}}нікелю може зменшити залежність від ресурсів і витрати; а інноваційні технології виробництва, такі як процеси сухого електроду, можуть підвищити ефективність виробництва та зменшити споживання енергії. Будучи основним блоком накопичувачів енергії та систем живлення, постійні інновації в елементах літій-іонної батареї забезпечать надійну підтримку для швидкої розробки нових енергетичних транспортних засобів, розумних мереж і портативних електронних пристроїв.
