A лити{0}}ион батерейЭнэ нь литийн ионыг эерэг ба сөрөг электрод болгон урвуу байдлаар оруулах, задлах чадвартай хоёр материалыг ашигладаг цэнэглэдэг батерей юм. Цэнэглэх явцад эерэг электрод дахь литийн атомууд нь литийн ионууд болон чөлөөт электронууд болж ионждог.
Дараа нь эдгээр литийн ионууд сөрөг электрод руу шилжиж, тэнд байгаа чөлөөт электронуудтай нийлж литийн атом үүсгэдэг. Эсрэгээр цэнэгийн үед сөрөг электрод дахь литийн атомууд литийн ионууд болон чөлөөт электронууд болж дахин ионжиж, дараа нь эерэг электрод дээр дахин нэгдэж литийн атомуудыг үүсгэдэг. Тиймээс, цэнэгийн цэнэгийн-цахилгааны бүх хугацаанд литий нь үргэлж ион хэлбэрээр байдаг ба хэзээ ч металл литийн хэлбэрээр байдаггүй тул ийм төрлийн батерейг литийн-ион батерей гэж нэрлэдэг. Янз бүрийн загварт тулгуурлан зах зээл дээрх хамгийн түгээмэл лити ион батерейнууд нь уутны эсүүд, цилиндр эсүүд болон товчлуурын эсүүд юм. Лити{7}}ионы батерейны эерэг электродын материал нь ихэвчлэн LiCoO2, LiFePO4, LiNiO, LiMnzO2 зэрэг литийн-баялаг нэгдэл байдаг. Лити ион батерейны сөрөг электродын материал нь ихэвчлэн бал чулуун дээр суурилдаг. Электролитийн хувьд органик уусгагчид ууссан тусгай лити давсны уусмалыг (LiPF6, LiASF6, LiCIO4 гэх мэт) ихэвчлэн ашигладаг. Эдгээр органик уусгагч нь этилен карбонат (EC) эсвэл диэтил карбонат (DEC) гэх мэт байж болно. Батерейг цэнэглэх циклд-хөхөд лити ионууд эерэг ба сөрөг электродын хооронд нааш цааш шилжинэ. Доорх диаграммд үзүүлсэн шиг энэ үйл явцыг "сандлын батерей" гэж дүрсэлсэн болно.
Лити{0}}ион батерейг лити кобальт исэл (LiCoO2) эерэг электрод, бал чулууг сөрөг электрод болгон авч үзвэл түүний цахилгаан химийн илэрхийлэл нь: (-)CI LiPF(EC+ DEC) / LiCoO2(+).
Эерэг электродын урвал:
Сөрөг электродын урвал: 5.2
Ерөнхий хариу үйлдэл: 5.3
Үндсэндээ литийн{0}}ионы батерейг литийн-ионы концентрацийн ялгаан дээр үндэслэн ажилладаг төхөөрөмж гэж үзэж болно. Цэнэглэх явцад литийн ионууд эерэг электродын материалаас ялгарч, электролитээр дамжин сөрөг электродын материалд шингэж, сөрөг электрод литийг-баяж, эерэг электродыг харьцангуй лити-муу болгодог. Үүний зэрэгцээ бүхэл системийн цэнэгийн тэнцвэрийг хадгалахын тулд харгалзах электронуудыг гадаад хэлхээгээр дамжуулан нүүрстөрөгч{6}}сөрөг электрод руу нийлүүлдэг. Эсрэгээр цэнэгийн үед литийн ионууд сөрөг электродоос эерэг электрод руу шилжиж, эерэг электрод литийн-баяжихад хүргэдэг. Ер нь, цэнэгийн цэнэгийн{10} мөчлөгийн үед литийн ионууд давхарласан нүүрстөрөгчийн материал болон ислийн хооронд дахин дахин шингэж, ялгардаг. Энэ үйл явц нь үндсэндээ давхаргын хоорондын зай өөрчлөгдөх хэлбэрээр илэрдэг бөгөөд материалын үндсэн болор бүтцийг алдагдуулдаггүй. Иймээс урвалын буцах чадварын үүднээс авч үзвэл лити-ионы батерейны химийн өөрчлөлтийг буцаах хамгийн тохиромжтой процесс гэж үздэг. Литиум ион батерей нь электрод, электролит, тусгаарлагч, бүрхүүл гэсэн дөрвөн үндсэн хэсгээс бүрдэнэ. Электродууд нь идэвхтэй материал, дамжуулагч бодис, холбогч болон гүйдэл цуглуулагчаас бүрдсэн лити-ион батерейны үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Идэвхтэй материал (эсвэл электродын материал) нь цэнэглэх, цэнэглэх явцад цахилгаан химийн урвалаар цахилгаан энерги ялгаруулдаг лити-ион батерейны электродын материал юм. Эдгээр нь лити ион батерейны цахилгаан химийн үзүүлэлт болон үндсэн шинж чанарыг тодорхойлдог. Идэвхтэй материалд эерэг электродын материал ба сөрөг электродын материал орно. Эерэг электродын материалууд нь ихэвчлэн LiCoO₂, LiMnO₄, LiNi₁-x-Co:MnyO₂, LiCo:Ni-O₂, LiCo:Ni{26}}O₂, Li зэрэг харьцангуй өндөр потенциалтай (литийн металл электродуудтай харьцуулахад) нунтаг нийлмэл металлын нэгдлүүд юм.
Сөрөг электродын материалд нүүрстөрөгчийн материал, хайлш материал, металл ислийн материалууд орно. Одоогийн байдлаар зөөврийн төхөөрөмжид өргөн хэрэглэгддэг лити{1}}ион батерейны эерэг ба сөрөг электродын гол материалууд нь LiCoO₂ ба бал чулуу юм. Нэмж дурдахад, литийн ион батерейны практик хэрэглээг илүү сайн хангахын тулд эерэг ба сөрөг электродын материалын дамжуулалтыг сайжруулахын тулд электродыг үйлдвэрлэх явцад дамжуулагч бодисуудыг (хар ацетилен гэх мэт) ихэвчлэн нэмдэг. Мөхлөгт эерэг ба сөрөг электродын материал ба дамжуулагч бодисууд нь гүйдлийн коллекторт наалдсан байхын тулд ихэвчлэн холбогчийг нэмдэг. Нийтлэг холбогчийг тос{6}}ба усан суурьтай- гэж ангилдаг. Газрын тос{9}}холбогч нь голчлон поливинилиден фтор (PVDF) ба политетрафторэтилен (PTFE) багтдаг бол усан суурьтай холбогч нь карбоксиметил целлюлоз/стирол-бутадиен резин (CMC/SBR) юм. Гүйдлийн коллекторын гол үүрэг нь идэвхтэй материалаас электрон дамжуулж, гүйдлийг жигд хуваарилахын зэрэгцээ идэвхтэй материалыг дэмжих явдал юм. Гүйдлийн коллекторууд нь ерөнхийдөө механик хүч чадал, химийн сайн тогтвортой байдал, өндөр цахилгаан дамжуулах чадвартай байхыг шаарддаг. Эерэг электродын одоогийн коллектор нь хөнгөн цагаан тугалган цаас, сөрөг электродын одоогийн коллектор нь зэс тугалган цаас юм.
Электролитийн үүрэг нь эерэг ба сөрөг электродуудын хооронд литийн ионуудыг дамжуулах явдал юм. Электролитийн сонголт нь батерейны ажиллах зарчмыг ихээхэн тодорхойлдог бөгөөд түүний тодорхой эрчим хүч, аюулгүй байдлын гүйцэтгэл, мөчлөгийн гүйцэтгэл, хурдны гүйцэтгэл, бага{1}}температурын гүйцэтгэл, хадгалах чадварт нөлөөлдөг. Одоогийн байдлаар худалдаанд гарсан лити ион батерейнууд нь органик уусгагч болон дамжуулагч литийн давс агуулсан-усан электролитийн системийг голчлон ашигладаг. Органик уусгагч нь электролитийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг бөгөөд түүний гүйцэтгэлтэй нягт холбоотой байдаг; Энэ нь ихэвчлэн этилен карбонат, пропилен карбонат, диметил карбонат, метил этил карбонат зэрэг органик уусгагчийн холимог юм. Дамжуулагч литийн давс нь эерэг ба сөрөг электродуудын хооронд зөөвөрлөгддөг литийн ионуудыг хангадаг бөгөөд органик бус эсвэл органик анионууд болон литийн ионуудаас бүрддэг. Одоогийн байдлаар худалдаанд байгаа гол дамжуулагч литийн давс нь LiPF6 юм. Шинэ эрин үед лити ион батерейны цахилгаан химийн гүйцэтгэлийг сайжруулах, тодорхой тусгай функцийг гүйцэтгэхийн тулд галд тэсвэртэй бодис гэх мэт функциональ нэмэлтүүдийг ихэвчлэн электролитэд нэмдэг.
Литиум{0}}ион батерейны загварт тусгаарлагч нь эерэг ба сөрөг электродуудын хооронд байрладаг бөгөөд түүний гол үүрэг нь хоёр электродын хооронд шууд хүрэлцэхээс сэргийлж, богино холболтоос зайлсхийх явдал юм. Үүний зэрэгцээ энэ материалын өвөрмөц бичил сүвэрхэг бүтэц нь литийн ионуудыг чөлөөтэй нэвтрүүлэх боломжийг олгодог. Тусгаарлагч нь батерейны багтаамж, ашиглалтын хугацаа, ерөнхий аюулгүй байдалд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг; иймээс өндөр-чанартай тусгаарлагч ашиглах нь батерейны нийт цахилгаан химийн гүйцэтгэлийг мэдэгдэхүйц сайжруулж чадна. Одоогийн байдлаар зах зээл дээр хамгийн өргөн хэрэглэгддэг тусгаарлагчийн төрлүүд нь полиолефинээр хийсэн өндөр бат бөх хальс, үүнд полипропилен ба полиэтиленээр хийсэн сүвэрхэг бүтээгдэхүүн, түүнчлэн пропилен, этиленийг сополимержуулах эсвэл дангаар нь полиэтилен гомополимер ашиглан үйлдвэрлэсэн бүтээгдэхүүнүүд юм. Лити-ионы батерейнд-усан бус уусгагчийг ашиглах нь литийн-ионы дамжуулалтыг бууруулж, электродын том талбайг шаарддаг. Цаашилбал, батерейг угсрах явцад спираль ороосон бүтцийг ашиглах нь батерейны гүйцэтгэл нь зөвхөн электродоос гадна батерейны үйлдвэрлэлд ашигладаг холбогчоос хамаарна гэсэн үг юм. Эдгээр холбогч бодисууд нь электродыг үйлдвэрлэх явцад идэвхтэй материалын нэгдмэл байдал, аюулгүй байдлыг хангаж, идэвхтэй материалыг одоогийн коллекторт үр дүнтэй холбож, графит анод дээр хамгаалалтын SEI (хатуу{13}}клектролитийн интерфаз) хальс үүсгэх, хатаах явцад хангалттай дулааны тогтвортой байдлыг хангаж, электролитээр үр дүнтэй чийгшүүлэх ёстой.
Гаднах бүрхүүл нь лити{0}}ион батерейны сав юм. Түгээмэл хэрэглэгддэг бүрхүүлд ган бүрхүүл, хөнгөн цагаан бүрхүүл, хөнгөн цагаан{2}}хуванцар нийлмэл бүрхүүл орно. Ихэвчлэн бүрхүүл нь өндөр ба бага температурын өөрчлөлт, электролитийн зэврэлтийг тэсвэрлэх шаардлагатай байдаг.