Com a unitat d'emmagatzematge i alliberament d'energia més fonamental del sistema de tecnologia de bateries d'ions de liti-, la pila de bateries d'ions de liti- és l'element fonamental que determina el rendiment, la vida útil i la seguretat de la bateria. Essencialment, aconsegueix una conversió eficient d'energia química en energia elèctrica mitjançant la inserció i extracció reversible d'ions de liti entre els elèctrodes positius i negatius, jugant un paper insubstituïble en el nou camp energètic modern. Una comprensió profunda de l'estructura, els principis i les característiques de les cèl·lules de la bateria d'ions de liti és crucial per comprendre la trajectòria de desenvolupament de la tecnologia de la bateria i optimitzar l'aplicació de solucions.
Estructuralment, una pila de bateria d'ions de liti-típica consta principalment de cinc parts: l'elèctrode positiu, l'elèctrode negatiu, l'electròlit, el separador i la carcassa. El material de l'elèctrode positiu utilitza normalment òxids en capes (com l'òxid de manganès de liti níquel cobalt i òxid d'alumini de liti níquel cobalt), fosfats d'olivina (com el fosfat de ferro de liti) o òxid de manganès de liti de tipus espinela-, responsable de l'alliberament dels ions de liti. L'elèctrode negatiu es compon principalment de grafit, amb algunes cèl·lules-de gamma alta que utilitzen materials compostos basats en silici-per augmentar la capacitat; la seva funció és rebre i emmagatzemar ions de liti durant la càrrega. L'electròlit és normalment una barreja de dissolvents de carbonat orgànic i sals de liti (com l'hexafluorofosfat de liti), que serveix com a mitjà per a la conducció iònica. El separador és un material aïllant amb una estructura microporosa, dissenyat per evitar el contacte directe entre els elèctrodes positius i negatius, evitant així curtcircuits, alhora que permet el pas lliure dels ions de liti. La carcassa exterior proporciona protecció mecànica i un entorn segellat, generalment en forma de pel·lícula de plàstic d'alumini-(paquet suau), carcassa d'acer o d'alumini.
El principi de funcionament d'una pila de bateria d'ions de liti-es basa en una reacció redox electroquímica. Durant la càrrega, sota la influència d'un camp elèctric aplicat, els ions de liti s'alliberen de la xarxa de l'elèctrode positiu, passen per l'electròlit i el separador i s'incorporen entre les capes del material de l'elèctrode negatiu. Els electrons flueixen a l'elèctrode negatiu a través del circuit extern, convertint l'energia elèctrica en energia química. El procés de descàrrega és invers: els ions de liti s'alliberen de l'elèctrode negatiu i tornen a l'elèctrode positiu, mentre que els electrons treballen a través del circuit extern, proporcionant energia elèctrica a la càrrega. Aquest mecanisme de reacció de la "cadira de balanceig" ofereix a les bateries de liti els seus avantatges d'alta densitat d'energia i llarg cicle de vida, alhora que imposa requisits estrictes d'estabilitat del material, compatibilitat interfacial i precisió de fabricació.
Les característiques de rendiment de la pila de bateria determinen directament els seus escenaris d'aplicació. Pel que fa a la densitat d'energia, les cèl·lules d'ions ternaris de liti-d'alt-níquel poden arribar als 250-300Wh/kg, adequades per a vehicles elèctrics amb requisits d'autonomia elevats; Les cèl·lules de fosfat de ferro de liti tenen una densitat d'energia lleugerament inferior (aproximadament 150-200Wh/kg), però tenen una excel·lent estabilitat i seguretat en el cicle d'alta-temperatura, i s'utilitzen àmpliament en l'emmagatzematge d'energia i en vehicles comercials. El rendiment de la velocitat reflecteix l'alta{10}}capacitat de càrrega i descàrrega actual de la cèl·lula. Les característiques de velocitat es poden millorar mitjançant el nano-dimensionament del material, l'optimització d'agents conductors i el disseny estructural per satisfer les demandes de càrrega ràpida i sortida d'alta potència. La vida del cicle està estretament relacionada amb l'estabilitat estructural dels materials de l'elèctrode, la uniformitat de la pel·lícula SEI (pel·lícula d'interfície d'electròlit sòlid) i la resistència a l'oxidació de l'electròlit. Les cèl·lules d'alta qualitat poden aconseguir més de 2000 cicles profunds a temperatura ambient.
La seguretat és primordial en el disseny de cèl·lules. La fuga tèrmica és el principal risc, que es deriva d'una cadena de reaccions exotèrmiques causades per sobrecàrrega, curtcircuits, altes temperatures o sobre-descàrrega. Mitjançant la modificació de materials (com ara el recobriment de l'elèctrode positiu i el pre-litiació de l'elèctrode negatiu), l'aplicació de recobriments ceràmics al separador, l'ús d'additius retardants de flama- a l'electròlit i el disseny de vàlvules de seguretat, es pot millorar significativament l'estabilitat tèrmica i la resistència a l'abús de les cèl·lules de la bateria. A més, el control de la neteja i la consistència del procés de fabricació també són crucials; La contaminació de matèries estranyes o la desalineació d'elèctrodes poden provocar micro-curtcircuits localitzats, creant perills potencials per a la seguretat.
Actualment, la tecnologia de les cèl·lules de la bateria d'ions de liti-està evolucionant cap a una densitat d'energia més alta, una seguretat més alta, un cost més baix i respectuós amb el medi ambient. S'espera que l'aplicació d'electròlits d'estat sòlid-elimini completament els riscos de fuites i combustió associats als electròlits líquids; el desenvolupament de materials d'elèctrodes positius-lliures de cobalt i de baix-níquel pot reduir la dependència dels recursos i els costos; i tecnologies de fabricació innovadores com els processos d'elèctrodes secs poden millorar l'eficiència de la producció i reduir el consum d'energia. Com a unitat bàsica d'emmagatzematge d'energia i sistemes d'alimentació, la innovació contínua en cèl·lules de bateries d'ions de liti-oferirà un suport sòlid per al desenvolupament avançat de nous vehicles d'energia, xarxes intel·ligents i dispositius electrònics portàtils.
