Като най-фундаменталното устройство за съхранение и освобождаване на енергия в технологичната система за литиево-йонни батерии, литиево-йонните батерийни клетки са основният елемент, определящ производителността, продължителността на живота и безопасността на батерията. По същество той постига ефективно преобразуване на химическата енергия в електрическа енергия чрез обратимо вкарване и извличане на литиеви йони между положителните и отрицателните електроди, играейки незаменима роля в съвременното ново енергийно поле. Дълбокото разбиране на структурата, принципите и характеристиките на литиево-йонните акумулаторни клетки е от решаващо значение за разбиране на траекторията на развитие на технологията за батерии и оптимизиране на приложни решения.
В структурно отношение типичната литиево-батерийна клетка се състои основно от пет части: положителен електрод, отрицателен електрод, електролит, сепаратор и корпус. Материалът на положителния електрод обикновено използва наслоени оксиди (като литиев никел кобалт манганов оксид и литиев никел кобалт алуминиев оксид), оливин фосфати (като литиево-железен фосфат) или шпинел-тип литиев манганов оксид, отговорен за освобождаването на литиеви йони по време на зареждане. Отрицателният електрод се състои основно от графит, като някои клетки от висок клас използват композитни материали на базата на силиций- за увеличаване на капацитета; неговата функция е да приема и съхранява литиеви йони по време на зареждане. Електролитът обикновено е смес от органични карбонатни разтворители и литиеви соли (като литиев хексафлуорофосфат), служещи като среда за йонна проводимост. Сепараторът е изолационен материал с микропореста структура, предназначен да предотвратява директен контакт между положителните и отрицателните електроди, като по този начин предотвратява късо съединение, като същевременно позволява свободното преминаване на литиевите йони. Външният корпус осигурява механична защита и запечатана среда, обикновено под формата на алуминиево-пластмасово фолио (мека опаковка), стоманени или алуминиеви корпуси.
Принципът на работа на литиево-йонна батерия се основава на електрохимична редокс реакция. По време на зареждане, под въздействието на приложено електрическо поле, литиевите йони се освобождават от решетката на положителния електрод, преминават през електролита и сепаратора и се вграждат между слоевете на материала на отрицателния електрод. Електроните протичат към отрицателния електрод през външната верига, преобразувайки електрическата енергия в химическа енергия. Процесът на разреждане е обратен: литиевите йони се освобождават от отрицателния електрод и се връщат към положителния електрод, докато електроните извършват работа през външната верига, осигурявайки електрическа енергия на товара. Този реакционен механизъм "люлеещ се стол" дава на литиевите батерии техните предимства на висока енергийна плътност и дълъг живот на цикъла, като същевременно налага строги изисквания за стабилност на материала, съвместимост на повърхността и прецизност на производството.
Характеристиките на производителността на акумулаторната клетка директно определят сценариите за нейното приложение. По отношение на енергийната плътност високо-никеловите трикомпонентни литиево-йонни клетки могат да достигнат 250-300Wh/kg, подходящи за електрически превозни средства с високи изисквания за пробег; Клетките с литиево-железен фосфат имат малко по-ниска енергийна плътност (приблизително 150-200Wh/kg), но притежават отлична стабилност и безопасност при високи-температурни цикли и се използват широко в складове за съхранение на енергия и търговски превозни средства. Скоростната производителност отразява високия{10}}текущ капацитет на зареждане и разреждане на клетката. Характеристиките на скоростта могат да бъдат подобрени чрез нано-оразмеряване на материала, оптимизиране на проводящия агент и структурен дизайн, за да отговорят на изискванията за бързо зареждане и изходна мощност с висока мощност. Животът на цикъла е тясно свързан със структурната стабилност на електродните материали, еднородността на SEI филма (интерфейсен филм с твърд електролит) и устойчивостта на окисляване на електролита. Висококачествените клетки могат да постигнат повече от 2000 дълбоки цикъла при стайна температура.
Безопасността е от първостепенно значение при дизайна на клетката. Топлинното бягство е основният риск, произтичащ от верига от екзотермични реакции, причинени от презареждане, късо съединение, високи температури или пре-разреждане. Чрез модифициране на материалите (като покритие на положителен електрод и предварително-литиране на отрицателен електрод), нанасяне на керамични покрития върху сепаратора, използване на -забавящи горенето добавки в електролита и проектиране на предпазни клапани, термичната стабилност и устойчивостта на злоупотреба на клетките на батериите могат да бъдат значително подобрени. Освен това контролът на чистотата и последователността на производствения процес също е от решаващо значение; замърсяване с чужди тела или неправилно подравняване на електродите може да доведе до локализирани микро-къси съединения, създаващи потенциални опасности за безопасността.
Понастоящем технологията за литиево-йонни батерийни клетки се развива към по-висока енергийна плътност, по-висока безопасност, по-ниска цена и екологосъобразност. Прилагането на-електролити в твърдо състояние се очаква да елиминира напълно рисковете от изтичане и изгаряне, свързани с течните електролити; разработването на материали за положителни електроди без-кобалт и ниско{4}}никел може да намали зависимостта от ресурси и разходите; и иновативните производствени технологии като процеси със сух електрод могат да подобрят ефективността на производството и да намалят потреблението на енергия. Като основна единица на системи за съхранение на енергия и захранване, непрекъснатите иновации в литиево-батерийните клетки ще осигурят солидна подкрепа за бързото развитие на нови енергийни превозни средства, интелигентни мрежи и преносими електронни устройства.
