Hoofdcomponenten van lithium-ionbatterijen
(1) Kathode (positieve elektrode)– De actieve materialen omvatten voornamelijk lithiumkobaltoxide, lithiummanganaat, lithiumijzerfosfaat, lithiumnikkeloxide, ternaire materialen van nikkel-kobalt-mangaan, enz. Aluminiumfolie met een dikte van 10-20 micrometer wordt over het algemeen gebruikt als geleidende stroomcollector.
(2) Scheidingsteken– Een speciaal plastic membraan dat lithiumionen doorlaat en tegelijkertijd elektronen isoleert. Momenteel wordt het voornamelijk gemaakt van PE, PP of hun composieten. Er zijn ook anorganische vaste stofafscheiders; Een met aluminiumoxide beklede afscheider is bijvoorbeeld een type afscheider van anorganische vaste stoffen.
(3) Anode (negatieve elektrode)– De actieve materialen omvatten voornamelijk grafiet, lithiumtitanaat of koolstofmaterialen met grafietachtige structuren. Koperfolie met een dikte van 7–15 micrometer wordt gewoonlijk gebruikt als geleidende stroomcollector.
(4) Elektrolyt– Over het algemeen een organisch systeem, zoals op carbonaat gebaseerde oplosmiddelen opgelost met lithiumhexafluorfosfaat. Sommige polymeerbatterijen maken gebruik van elektrolyten van het geltype.
(5) Batterijbehuizing– Hoofdzakelijk onderverdeeld in harde koffers (stalen behuizingen, aluminium behuizingen, vernikkelde ijzeren behuizingen, enz.) en zachte koffers (aluminium-kunststoffolie).
Tijdens het opladen de-intercaleren lithiumionen van de kathode en intercaleren ze in de anode; tijdens het ontladen gebeurt het omgekeerde. Eén elektrode moet zich vóór montage in een lithiumgeïntercaleerde toestand bevinden. Lithium-geïntercaleerde overgangsmetaaloxiden met een potentiaal hoger dan 3 V ten opzichte van lithium en stabiel in de lucht worden over het algemeen gekozen als kathodematerialen, zoals LiCoO₂, LiNiO₂ en LiMn₂O₄.
Anodematerialen zijn lithium-intercaleerbare verbindingen met een potentieel dat zo dicht mogelijk bij dat van lithium ligt, waaronder verschillende koolstofmaterialen (natuurlijk grafiet, synthetisch grafiet, koolstofvezels, mesokoolstofmicrobolletjes, enz.) en metaaloxiden zoals SnO, SnO₂ en tincomposietoxiden SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0,6, y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
De elektrolyt maakt gebruik van een gemengd oplosmiddelsysteem van alkylcarbonaten zoals ethyleencarbonaat (EC), propyleencarbonaat (PC) en diethylcarbonaat met lage viscositeit (DEC), opgelost met LiPF₆.
Separatoren zijn microporeuze polyolefinefilms van PE, PP of hun composieten. In het bijzonder hebben de drielaagse PP/PE/PP-scheiders een laag smeltpunt en een hoge lekbestendigheid, waardoor ze dienen als thermische veiligheidszekering.
De behuizingen zijn gemaakt van staal of aluminium en de dekselconstructies zijn uitgerust met explosieveilige en stroomonderbrekende functies.
Basis werkingsprincipe
Wanneer de batterij wordt opgeladen, worden lithiumionen onttrokken aan lithiumhoudende verbindingen in de kathode en migreren ze door de elektrolyt naar de anode. Het koolstofmateriaal van de anode heeft een gelaagde structuur met talrijke microporiën, waarin lithiumionen zijn ingebed. Meer ingebedde lithiumionen betekenen een hogere laadcapaciteit.
Tijdens het ontladen (wanneer de batterij in gebruik is) worden lithiumionen, ingebed in de koolstoflagen van de anode, geëxtraheerd en migreren terug naar de kathode. Meer lithiumionen die terugkeren naar de kathode komen overeen met een hogere ontladingscapaciteit. De accucapaciteit waar we normaal gesproken naar verwijzen is de ontladingscapaciteit.
Tijdens de laad-ontlaadcycli van lithium-ionbatterijen pendelen lithiumionen heen en weer tussen de kathode en de anode. Dit is analoog aan een schommelstoel: de twee uiteinden van de stoel vertegenwoordigen de twee elektroden, en lithiumionen bewegen herhaaldelijk daartussen. Daarom worden lithium-ionbatterijen ook wel schommelstoelbatterijen genoemd.
Laad-ontlaadmechanisme
Het laadproces van lithium-ionbatterijen bestaat uit twee fasen: opladen met constante stroom en opladen met constante spanning met geleidelijk afnemende stroom.
Overladen en overontladen veroorzaken permanente schade aan de kathode en anode. Overmatige ontlading leidt tot het instorten van de gelaagde structuur van anodekoolstof, waardoor wordt voorkomen dat lithiumionen tijdens het daaropvolgende opladen intercaleren. Door overladen worden overtollige lithiumionen in de koolstofstructuur van de anode ingebed, waardoor sommige lithiumionen permanent niet extraheerbaar blijven.
Het optimale laad-ontlaadpatroon voor het behoud van de prestaties van lithium-ionbatterijen is oppervlakkig opladen en oppervlakkig ontladen. Over het algemeen is de levensduur van de cyclus bij een ontladingsdiepte van 60% (DOD) 2 à 4 keer zo lang als bij een ontladingsdiepte van 100%.
