Основные компоненты литий-ионных аккумуляторов
(1) Катод (положительный электрод)– Активные материалы в основном включают оксид лития-кобальта, манганат лития, фосфат лития-железа, оксид лития-никеля, тройные материалы никель-кобальт-марганец и т. д. В качестве токосъемника обычно используется алюминиевая фольга толщиной 10–20 микрометров.
(2) Сепаратор– Специальная пластиковая мембрана, которая пропускает ионы лития, изолируя при этом электроны. В настоящее время его в основном изготавливают из ПЭ, ПП или их композитов. Существуют также неорганические твердые сепараторы; например, сепаратор с покрытием из оксида алюминия представляет собой тип сепаратора неорганических твердых частиц.
(3) Анод (отрицательный электрод)– В число активных материалов в основном входят графит, титанат лития или углеродные материалы с графитоподобной структурой. В качестве токосъемника обычно используется медная фольга толщиной 7–15 микрометров.
(4) Электролит– Обычно это органическая система, такая как растворители на основе карбонатов, растворенные гексафторфосфатом лития. В некоторых полимерных батареях используются электролиты гелевого типа.
(5) Чехол для батареи– Разделяются в основном на твердые корпуса (стальные корпуса, алюминиевые корпуса, никелированные железные корпуса и т. д.) и мягкие корпуса (алюминиево-пластиковая пленка).
Во время зарядки ионы лития деинтеркалируются с катода и интеркалируются в анод; обратное происходит во время разрядки. Перед сборкой один электрод должен находиться в интеркалированном литием состоянии. В качестве катодных материалов обычно выбирают интеркалированные литием оксиды переходных металлов с потенциалом выше 3 В относительно лития и стабильные на воздухе, такие как LiCoO₂, LiNiO₂ и LiMn₂O₄.
Анодные материалы представляют собой интеркалируемые литием соединения с потенциалом, максимально близким к потенциалу лития, включая различные углеродные материалы (природный графит, синтетический графит, углеродное волокно, мезоуглеродные микрошарики и т. д.) и оксиды металлов, таких как SnO, SnO₂ и композитные оксиды олова SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
В электролите используется смешанная система растворителей, состоящая из алкилкарбонатов, таких как этиленкарбонат (EC), пропиленкарбонат (PC) и диэтилкарбонат низкой вязкости (DEC), растворенных LiPF₆.
Сепараторы представляют собой полиолефиновые микропористые пленки из ПЭ, ПП или их композитов. В частности, трехслойные сепараторы PP/PE/PP обладают низкой температурой плавления и высокой стойкостью к проколу и служат термопредохранителем.
Корпуса изготавливаются из стали или алюминия, а крышки в сборе оснащены функциями взрывозащищенности и отключения электроэнергии.
Основной принцип работы
Когда аккумулятор заряжается, ионы лития извлекаются из литийсодержащих соединений на катоде и мигрируют через электролит к аноду. Углеродный материал анода имеет слоистую структуру с многочисленными микропорами, в которых внедрены ионы лития. Больше встроенных ионов лития означает более высокую зарядную емкость.
Во время разряда (когда батарея используется) ионы лития, внедренные в углеродные слои анода, извлекаются и мигрируют обратно к катоду. Большее количество ионов лития, возвращающихся на катод, соответствует более высокой разрядной емкости. Емкость аккумулятора, которую мы обычно называем разрядной емкостью.
Во время циклов зарядки-разрядки литий-ионных аккумуляторов ионы лития перемещаются между катодом и анодом. Это аналогично креслу-качалке: два конца кресла представляют собой два электрода, и ионы лития неоднократно перемещаются между ними. Поэтому литий-ионные батареи также известны как батареи-качалки.
Механизм заряда-разряда
Процесс зарядки литий-ионных аккумуляторов состоит из двух этапов: заряд постоянным током и заряд постоянным напряжением с постепенно уменьшающимся током.
Чрезмерный заряд и чрезмерная разрядка приводят к необратимому повреждению катода и анода. Чрезмерный разряд приводит к разрушению слоистой структуры анодного углерода, препятствуя интеркалированию ионов лития во время последующей зарядки. Избыточный заряд приводит к внедрению избыточных ионов лития в углеродную структуру анода, в результате чего некоторые ионы лития становятся неизвлекаемыми.
Оптимальной схемой заряда-разряда для поддержания работоспособности литий-ионного аккумулятора является неглубокая зарядка и неглубокая разрядка. Как правило, срок службы при глубине разряда 60% (DOD) в 2–4 раза превышает срок службы при глубине разряда 100%.
