A litium-ioonbatteryis 'n herlaaibare battery wat twee materiale gebruik wat in staat is om litiumione omkeerbaar in te voeg en te deinterkaleer as onderskeidelik die positiewe en negatiewe elektrodes. Tydens laai ioniseer litiumatome in die positiewe elektrode in litiumione en vrye elektrone.
Hierdie litiumione migreer dan na die negatiewe elektrode en kombineer met die vrye elektrone daar om litiumatome te vorm. Omgekeerd, tydens ontlading herioniseer litiumatome by die negatiewe elektrode in litiumione en vrye elektrone, en herkombineer dan by die positiewe elektrode om weer litiumatome te vorm. Daarom, regdeur die hele laai-ontladingsiklus, bestaan litium altyd in ioniese vorm en nooit in metaallitiumvorm nie, en daarom word hierdie tipe battery 'n litium-ioonbattery genoem. Gebaseer op verskillende ontwerpe, is die mees algemene litium-ioonbatterye op die mark sakselle, silindriese selle en knoppieselle. Die positiewe elektrodemateriaal van litium-ioonbatterye is gewoonlik 'n litium-ryke verbinding, soos LiCoO2, LiFePO4, LiNiO en LiMnzO2. Die negatiewe elektrodemateriaal van litium-ioonbatterye is meestal op grafiet gebaseer. Wat die elektroliet betref, word oplossings van spesifieke litiumsoute (soos LiPF6, LiASF6 en LiCIO4) wat in organiese oplosmiddels opgelos is, oor die algemeen gebruik. Hierdie organiese oplosmiddels kan etileenkarbonaat (EC) of dietielkarbonaat (DEC), ens. wees. Wanneer die battery in 'n laai-ontladingsiklus is, migreer litiumione heen en weer tussen die positiewe en negatiewe elektrodes. Hierdie proses word figuurlik beskryf as 'n "skommelstoelbattery", soos in die diagram hieronder getoon.
Neem litium-ioonbatterye met litiumkobaltoksied (LiCoO2) as die positiewe elektrode en grafiet as die negatiewe elektrode as 'n voorbeeld, die elektrochemiese uitdrukking daarvan is: (-)CI LiPF(EC+ DEC) / LiCoO2(+).
Positiewe elektrode reaksie:
Negatiewe elektrode reaksie:5.2
Algehele reaksie:5.3
In wese kan 'n litium-ioonbattery beskou word as 'n toestel wat werk op grond van verskille in litium-ioonkonsentrasie. Tydens laai word litiumione vrygestel van die positiewe elektrodemateriaal, gaan deur die elektroliet en word in die negatiewe elektrodemateriaal ingebed, wat die negatiewe elektrode litium-ryk maak terwyl die positiewe elektrode relatief litium-arm maak. Terselfdertyd, om die ladingsbalans van die hele stelsel te handhaaf, word ooreenstemmende elektrone deur 'n eksterne stroombaan aan die koolstof-gebaseerde negatiewe elektrode voorsien. Omgekeerd, tydens ontlading migreer litiumione van die negatiewe elektrode na die positiewe elektrode, wat veroorsaak dat die positiewe elektrode litium-ryk word. Normaalweg, tydens normale lading-ontladingsiklusse, word litiumione herhaaldelik ingebed en onttrek tussen die gelaagde koolstofmateriale en oksiede. Hierdie proses manifesteer hoofsaaklik as veranderinge in tussenlaagspasiëring en ontwrig nie die basiese kristalstruktuur van die materiale nie. Daarom, vanuit die perspektief van reaksie-omkeerbaarheid, word die chemiese veranderinge binne 'n litium-ioonbattery as 'n hoogs ideale omkeerbare proses beskou. 'n Litium-ioonbattery bestaan uit vier basiese komponente: elektrodes, elektroliet, skeier en omhulsel. Die elektrodes is die kernkomponent van 'n litium-ioonbattery, wat bestaan uit aktiewe materiale, geleidende middels, bindmiddels en stroomopvangers. Aktiewe materiale (of elektrodemateriale) is die elektrodemateriale in litium-ioonbatterye wat elektriese energie vrystel deur elektrochemiese reaksies tydens laai en ontlaai. Hulle bepaal die elektrochemiese werkverrigting en basiese kenmerke van litium-ioonbatterye. Aktiewe materiale sluit positiewe elektrodemateriale en negatiewe elektrodemateriale in. Positiewe elektrodemateriale is hoofsaaklik verpoeierde saamgestelde metaalverbindings met relatief hoë potensiale (relatief tot litiummetaalelektrodes), soos LiCoO₂, LiMnO₄, LiNi₁-x-Co:MnyO₂, LiCo:Ni-O₂ en LiFePO.
Negatiewe elektrodemateriale sluit in koolstofmateriale, legeringsmateriale en metaaloksiedmateriale. Tans is die belangrikste positiewe en negatiewe elektrodemateriaal vir litium-ioonbatterye wat wyd in draagbare toestelle gebruik word, onderskeidelik LiCoO₂ en grafiet. Daarbenewens word geleidende middels (soos asetileenswart) gewoonlik tydens elektrodevervaardiging bygevoeg om die geleidingsvermoë van die positiewe en negatiewe elektrodemateriale te verbeter om beter te voldoen aan die praktiese toepassingsbehoeftes van litium-ioonbatterye. Om te verseker dat die korrelvormige positiewe en negatiewe elektrodemateriale en geleidende middels stewig aan die stroomkollektor heg, word 'n bindmiddel tipies bygevoeg. Gewone bindmiddels word geklassifiseer as olie--gebaseerde en water--gebaseerde. Olie---gebaseerde bindmiddels sluit hoofsaaklik polivinielideenfluoried (PVDF) en politetrafluoretileen (PTFE) in, terwyl water-gebaseerde bindmiddels hoofsaaklik karboksimetielsellulose/stireen-butadieenrubber (CMC/SBR) is. Die hooffunksie van die stroomkollektor is om elektrone uit die aktiewe materiaal te gelei en die stroom eweredig te versprei, terwyl dit ook die aktiewe materiaal ondersteun. Daar word oor die algemeen van stroomkollektors vereis om hoë meganiese sterkte, goeie chemiese stabiliteit en hoë geleidingsvermoë te hê. Die stroomkollektor vir die positiewe elektrode is aluminiumfoelie, en die stroomkollektor vir die negatiewe elektrode is koperfoelie.
Die rol van die elektroliet is om litiumione tussen die positiewe en negatiewe elektrodes te gelei. Die keuse van elektroliet bepaal grootliks die battery se werksbeginsel en beïnvloed sy spesifieke energie, veiligheidswerkverrigting, sikluswerkverrigting, tempoverrigting, lae-temperatuurverrigting en bergingswerkverrigting. Tans gebruik kommersieel beskikbare litium-ioonbatterye hoofsaaklik nie-waterige elektrolietstelsels, wat organiese oplosmiddels en geleidende litiumsoute insluit. Die organiese oplosmiddel is die hoofkomponent van die elektroliet en is nou verwant aan sy werkverrigting; dit is tipies 'n mengsel van organiese oplosmiddels soos etileenkarbonaat, propileenkarbonaat, dimetielkarbonaat en metieletielkarbonaat. Die geleidende litiumsout verskaf die litiumione wat tussen die positiewe en negatiewe elektrodes vervoer word en is saamgestel uit anorganiese of organiese anione en litiumione. Tans is die belangrikste kommersieel beskikbare geleidende litiumsout LiPF6. In die nuwe era, om die elektrochemiese werkverrigting van litium-ioonbatterye te verbeter en sekere spesiale funksies te bereik, word funksionele bymiddels, soos vlamvertragers, dikwels by die elektroliet gevoeg.
In litium-ioonbattery-ontwerp is die skeier tussen die positiewe en negatiewe elektrodes geleë, en sy hooffunksie is om direkte kontak tussen die twee elektrodes te voorkom en sodoende kortsluitings te vermy. Terselfdertyd laat die unieke mikroporeuse struktuur van hierdie materiaal litiumione vrylik deur. Die skeier speel 'n deurslaggewende rol in die battery se bergingskapasiteit, sikluslewe en algehele veiligheid; daarom kan die gebruik van 'n hoë-gehalte skeier die algehele elektrochemiese werkverrigting van die battery aansienlik verbeter. Tans is die mees gebruikte skeidingstipes op die mark hoë-sterkte films gemaak van poliolefiene, insluitend poreuse produkte gemaak van polipropileen en poliëtileen, sowel as produkte wat vervaardig word deur kopolimerisasie van propileen en etileen of deur gebruik te maak van poliëtileen homopolimeer alleen. Die gebruik van nie-waterige oplosmiddels in litium-ioonbatterye lei tot laer litium-ioongeleiding, wat dus 'n groot elektrode-area vereis. Verder beteken die gebruik van 'n spiraal-gewikkelde struktuur tydens batterysamestelling dat batterywerkverrigting nie net van die elektrodes self afhang nie, maar ook van die bindmiddels wat in batteryvervaardiging gebruik word. Hierdie bindmiddels moet die eenvormigheid en veiligheid van die aktiewe materiale tydens elektrodevervaardiging verseker, die aktiewe materiale effektief aan die stroomkollektor bind, die vorming van 'n beskermende SEI (soliede-elektroliet interfase) film op die grafietanode fasiliteer, voldoende termiese stabiliteit handhaaf tydens droging, en effektief deur die elektroliet benat word.
Die buitenste omhulsel is die houer van 'n litium-ioonbattery. Algemeen gebruikte omhulsels sluit in staalomhulsels, aluminiumomhulsels en aluminium-plastiese saamgestelde omhulsels. Die omhulsel word gewoonlik vereis om veranderinge in hoë en lae temperature en korrosie van die elektroliet te weerstaan.