A باتری لیتیوم{0}}باتری قابل شارژی است که از دو ماده استفاده میکند که قادرند یونهای لیتیوم را بهترتیب بهعنوان الکترودهای مثبت و منفی بهطور برگشتپذیر وارد کرده و آنها را جداسازی کنند. در طول شارژ، اتم های لیتیوم در الکترود مثبت یونیزه می شوند و به یون های لیتیوم و الکترون های آزاد تبدیل می شوند.
این یونهای لیتیوم سپس به الکترود منفی مهاجرت کرده و با الکترونهای آزاد ترکیب میشوند و اتمهای لیتیوم را تشکیل میدهند. برعکس، در حین تخلیه، اتم های لیتیوم در الکترود منفی دوباره به یون های لیتیوم و الکترون های آزاد تبدیل می شوند و سپس در الکترود مثبت دوباره ترکیب می شوند تا دوباره اتم های لیتیوم را تشکیل دهند. بنابراین، در کل چرخه تخلیه-شارژ، لیتیوم همیشه به صورت یونی وجود دارد و هرگز به شکل لیتیوم فلزی وجود ندارد، به همین دلیل است که این نوع باتری، باتری لیتیوم-یون نامیده میشود. بر اساس طرحهای مختلف، رایجترین باتریهای لیتیوم{5} یونی موجود در بازار سلولهای کیسهای، سلولهای استوانهای و سلولهای دکمهای هستند. ماده الکترود مثبت باتریهای لیتیوم- معمولاً یک ترکیب غنی از لیتیوم است، مانند LiCoO2، LiFePO4، LiNiO و LiMnzO2. مواد الکترود منفی باتریهای لیتیوم{12} یون عمدتاً بر پایه گرافیت است. در مورد الکترولیت، معمولاً از محلول های نمک های لیتیوم خاص (مانند LiPF6، LiASF6 و LiCIO4) محلول در حلال های آلی استفاده می شود. این حلالهای آلی میتوانند کربنات اتیلن (EC) یا کربنات دی اتیل (DEC) باشند. وقتی باتری در چرخه تخلیه است، یونهای لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی به عقب و جلو میروند. همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، این فرآیند به طور مجازی به عنوان یک "باتری صندلی گهواره ای" توصیف می شود.
با در نظر گرفتن باتریهای لیتیوم{0}} با اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2) به عنوان الکترود مثبت و گرافیت به عنوان الکترود منفی، بیان الکتروشیمیایی آن عبارت است از: (-)CI LiPF(EC+ DEC) / LiCoO2(+).
واکنش الکترود مثبت:
واکنش الکترود منفی: 5.2
واکنش کلی: 5.3
در اصل، یک باتری یون لیتیوم{0}} را می توان به عنوان دستگاهی مشاهده کرد که بر اساس تفاوت در غلظت یون لیتیوم- کار می کند. در طول شارژ، یونهای لیتیوم از مواد الکترود مثبت آزاد میشوند، از الکترولیت عبور میکنند و در ماده الکترود منفی قرار میگیرند، که باعث میشود الکترود منفی لیتیوم-غنی و الکترود مثبت نسبتاً لیتیوم- ضعیف باشد. به طور همزمان، برای حفظ تعادل بار کل سیستم، الکترون های مربوطه از طریق یک مدار خارجی به الکترود منفی مبتنی بر کربن{6}} عرضه می شود. برعکس، در حین تخلیه، یون های لیتیوم از الکترود منفی به الکترود مثبت مهاجرت می کنند و باعث می شوند که الکترود مثبت لیتیوم- غنی شود. معمولاً در طول چرخههای تخلیه{10}شارژ معمولی، یونهای لیتیوم به طور مکرر بین مواد و اکسیدهای کربن لایهای جاسازی و استخراج میشوند. این فرآیند در درجه اول به صورت تغییر در فاصله بین لایه ها ظاهر می شود و ساختار کریستالی اولیه مواد را مختل نمی کند. بنابراین، از منظر برگشت پذیری واکنش، تغییرات شیمیایی در یک باتری لیتیوم{13} یونی یک فرآیند برگشت پذیر بسیار ایده آل در نظر گرفته می شود. یک باتری لیتیوم{15} یونی از چهار جزء اصلی تشکیل شده است: الکترود، الکترولیت، جداکننده و پوشش. الکترودها جزء اصلی یک باتری لیتیوم{17} یونی هستند که از مواد فعال، عوامل رسانا، بایندرها و کلکتورهای جریان تشکیل شده است. مواد فعال (یا مواد الکترود) مواد الکترودی در باتریهای لیتیوم{19} یونی هستند که انرژی الکتریکی را از طریق واکنشهای الکتروشیمیایی در طول شارژ و دشارژ آزاد میکنند. آنها عملکرد الکتروشیمیایی و ویژگی های اساسی باتری های لیتیوم{21} یونی را تعیین می کنند. مواد فعال شامل مواد الکترود مثبت و مواد الکترود منفی است. مواد الکترود مثبت عمدتاً ترکیبات فلزی کامپوزیت پودری با پتانسیل نسبتاً بالا (نسبت به الکترودهای فلزی لیتیوم) مانند LiCoO2، LiMnO4، LiNi1-x{25}}Co:MnyO2، LiCo:Ni-O22، و LiCo.
مواد الکترود منفی شامل مواد کربنی، مواد آلیاژی و مواد اکسید فلزی است. در حال حاضر، مواد الکترود مثبت و منفی اصلی برای باتریهای لیتیوم{1} یون که به طور گسترده در دستگاههای قابل حمل استفاده میشوند، به ترتیب LiCoO2 و گرافیت هستند. علاوه بر این، عوامل رسانا (مانند استیلن سیاه) معمولاً در طول ساخت الکترود اضافه میشوند تا رسانایی مواد الکترود مثبت و منفی را بهبود بخشند تا نیازهای کاربردی باتریهای لیتیوم{3} یون را بهتر برآورده کنند. برای اطمینان از اینکه مواد الکترود مثبت و منفی دانهای و عوامل رسانا به طور محکم به کلکتور جریان میچسبند، معمولاً یک بایندر اضافه میشود. بایندرهای معمولی بر پایه روغن-و پایه آب- طبقه بندی می شوند. چسبهای مبتنی بر روغن عمدتاً شامل پلیوینیلیدین فلوراید (PVDF) و پلیتترا فلوئورواتیلن (PTFE) میشوند، در حالی که چسبهای مبتنی بر آب عمدتاً کربوکسی متیل سلولز/استایرن{11}لاستیک بوتادین (CMC/SBR) هستند. وظیفه اصلی کلکتور جریان هدایت الکترون ها از ماده فعال و توزیع یکنواخت جریان و در عین حال حمایت از ماده فعال است. کلکتورهای جریان به طور کلی باید دارای استحکام مکانیکی بالا، پایداری شیمیایی خوب و رسانایی بالا باشند. کلکتور جریان برای الکترود مثبت فویل آلومینیومی و کلکتور جریان برای الکترود منفی فویل مسی است.
نقش الکترولیت هدایت یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی است. انتخاب الکترولیت تا حد زیادی اصل کار باتری را تعیین می کند و بر انرژی خاص، عملکرد ایمنی، عملکرد چرخه، عملکرد سرعت، عملکرد دمای پایین- و عملکرد ذخیره سازی آن تأثیر می گذارد. در حال حاضر، باتریهای یونی لیتیوم- که به صورت تجاری در دسترس هستند، عمدتاً از سیستمهای الکترولیت غیرآبی، که شامل حلالهای آلی و نمکهای لیتیوم رسانا هستند، استفاده میکنند. حلال آلی جزء اصلی الکترولیت است و ارتباط نزدیکی با عملکرد آن دارد. معمولاً مخلوطی از حلال های آلی مانند اتیلن کربنات، پروپیلن کربنات، دی متیل کربنات و متیل اتیل کربنات است. نمک لیتیوم رسانا یون های لیتیومی را فراهم می کند که بین الکترودهای مثبت و منفی حمل می شود و از آنیون های معدنی یا آلی و یون های لیتیوم تشکیل شده است. در حال حاضر، اصلی ترین نمک لیتیوم رسانای تجاری موجود LiPF6 است. در عصر جدید، برای بهبود عملکرد الکتروشیمیایی باتریهای لیتیوم- و دستیابی به عملکردهای خاص خاص، افزودنیهای کاربردی، مانند بازدارندههای شعله، اغلب به الکترولیت اضافه میشوند.
در طراحی باتری لیتیوم{0}یون، جداکننده بین الکترودهای مثبت و منفی قرار دارد و وظیفه اصلی آن جلوگیری از تماس مستقیم بین دو الکترود است، بنابراین از اتصال کوتاه جلوگیری میکند. به طور همزمان، ساختار ریز متخلخل منحصربهفرد این ماده به یونهای لیتیوم اجازه میدهد آزادانه از آن عبور کنند. جداکننده نقش مهمی در ظرفیت ذخیرهسازی باتری، عمر چرخه و ایمنی کلی دارد. بنابراین، استفاده از یک جداکننده{3}}با کیفیت بالا می تواند عملکرد کلی الکتروشیمیایی باتری را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. در حال حاضر، پرمصرفترین انواع جداکننده در بازار، فیلمهای با استحکام بالا ساخته شده از پلیالفینها، از جمله محصولات متخلخل ساخته شده از پلیپروپیلن و پلی اتیلن، و همچنین محصولات تولید شده از طریق کوپلیمریزاسیون پروپیلن و اتیلن یا استفاده از هموپلیمر پلی اتیلن به تنهایی است. استفاده از حلالهای غیرآبی در باتریهای لیتیومی منجر به رسانایی یون لیتیوم میشود، بنابراین به یک ناحیه الکترود بزرگ نیاز دارد. علاوه بر این، استفاده از ساختار مارپیچی{11}}در هنگام مونتاژ باتری به این معنی است که عملکرد باتری نه تنها به خود الکترودها بلکه به چسبهای مورد استفاده در تولید باتری نیز بستگی دارد. این چسبها باید از یکنواختی و ایمنی مواد فعال در طول ساخت الکترود اطمینان حاصل کنند، مواد فعال را به طور مؤثر به کلکتور جریان بچسبانند، تشکیل یک لایه محافظ SEI (-فصل بین فاز جامد کلکترولیت) روی آند گرافیتی را تسهیل کنند، پایداری حرارتی کافی را در طول خشک شدن حفظ کنند، و به طور موثر توسط الکترولیت خیس شوند.
پوشش بیرونی محفظه یک باتری لیتیوم-یونی است. روکشهایی که معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند شامل روکشهای فولادی، روکشهای آلومینیومی و روکشهای پلاستیکی کامپوزیت آلومینیومی-میشوند. به طور معمول، پوشش مورد نیاز است تا در برابر تغییرات دماهای بالا و پایین و خوردگی ناشی از الکترولیت مقاومت کند.