Litium-ioni-akkujen pääkomponentit
(1) Katodi (positiivinen elektrodi)– Aktiiviset materiaalit sisältävät pääasiassa litiumkobolttioksidia, litiummanganaattia, litiumrautafosfaattia, litiumnikkelioksidia, nikkeli-koboltti-mangaani kolmikomponentteja jne. Johtavana virrankeräimenä käytetään yleensä 10–20 mikrometrin paksuista alumiinikalvoa.
(2) Erotin– Erityinen muovikalvo, joka päästää litiumionien läpi eristäen samalla elektroneja. Tällä hetkellä se on valmistettu pääasiassa PE:stä, PP:stä tai niiden komposiiteista. On myös epäorgaanisia kiintoaineerottimia; esimerkiksi alumiinioksidilla päällystetty erotin on eräänlainen epäorgaaninen kiintoaineerotin.
(3) Anodi (negatiivinen elektrodi)– Aktiivimateriaaleja ovat pääasiassa grafiitti, litiumtitanaatti tai hiilimateriaalit, joilla on grafiitin kaltainen rakenne. Johtavana virran kerääjänä käytetään yleisesti kuparifoliota, jonka paksuus on 7–15 mikrometriä.
(4) Elektrolyytti– Yleensä orgaaninen järjestelmä, kuten karbonaattipohjaiset liuottimet, jotka on liuotettu litiumheksafluorifosfaattiin. Jotkut polymeeriakut käyttävät geelityyppisiä elektrolyyttejä.
(5) Akkukotelo– Jaettu pääasiassa koviin koteloihin (teräskuoret, alumiinikuoret, nikkelipinnoitetut rautakuoret jne.) ja pehmeäpakkauskoteloihin (alumiini-muovikalvo).
Latauksen aikana litiumionit irtoavat katodista ja interkaloituvat anodiin; päinvastoin tapahtuu purkamisen aikana. Yhden elektrodin on oltava litium-interkaloituneessa tilassa ennen kokoamista. Katodimateriaaleiksi valitaan yleensä litiumin interkaloituja siirtymämetallioksideja, joiden potentiaali on suurempi kuin 3 V suhteessa litiumiin ja jotka ovat stabiileja ilmassa, kuten LiCoO₂, LiNiO₂ ja LiMn2O4.
Anodimateriaalit ovat litiumilla interkaloitavia yhdisteitä, joiden potentiaalit ovat mahdollisimman lähellä litiumia, mukaan lukien erilaiset hiilimateriaalit (luonnollinen grafiitti, synteettinen grafiitti, hiilikuitu, mesohiilimikrohelmet jne.) ja metallioksideja, kuten SnO, SnO₂ ja tinakomposiittioksidit SnBₓ}–0.6. y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolyytti käyttää sekoitettua liuotinjärjestelmää, jossa on alkyylikarbonaatteja, kuten eteenikarbonaattia (EC), propeenikarbonaattia (PC) ja matalaviskositeettista dietyylikarbonaattia (DEC), joka on liuotettu LiPF₆:een.
Erottimet ovat mikrohuokoisia polyolefiinikalvoja PE, PP tai niiden komposiitteista. Erityisesti PP/PE/PP kolmikerroksisissa erottimissa on alhainen sulamispiste ja korkea puhkaisunkestävyys, mikä toimii lämpöturvasulakkeena.
Kotelot on valmistettu teräksestä tai alumiinista, ja kansikokoonpanot on varustettu räjähdyssuojatuilla ja virrankatkaisutoiminnoilla.
Perustoimintaperiaate
Kun akku ladataan, litiumionit erotetaan katodissa olevista litiumia sisältävistä yhdisteistä ja kulkeutuvat elektrolyytin läpi anodille. Anodin hiilimateriaalissa on kerrosrakenne, jossa on lukuisia mikrohuokosia, joihin on upotettu litiumioneja. Lisää upotettuja litiumioneja tarkoittaa suurempaa latauskapasiteettia.
Purkauksen aikana (kun akku on käytössä) anodin hiilikerroksiin upotetut litiumionit poistetaan ja siirtyvät takaisin katodille. Enemmän litiumioneja, jotka palaavat katodille, vastaavat suurempaa purkauskapasiteettia. Akun kapasiteetti, johon tavallisesti viittaamme, on purkauskapasiteetti.
Litiumioniakkujen lataus- ja purkausjaksojen aikana litiumionit kulkevat edestakaisin katodin ja anodin välillä. Tämä on analoginen keinutuoliin: tuolin kaksi päätä edustavat kahta elektrodia, ja litiumionit liikkuvat toistuvasti niiden välillä. Tästä syystä litiumioniakut tunnetaan myös keinutuoliakkuina.
Lataus-purkausmekanismi
Litiumioniakkujen latausprosessi koostuu kahdesta vaiheesta: vakiovirtalataus ja vakiojännitelataus asteittain pienentyvällä virralla.
Ylilataus ja ylipurkaus aiheuttavat katodille ja anodille pysyvän vaurion. Ylipurkaus johtaa anodin hiilen kerrosrakenteen romahtamiseen, mikä estää litiumionien interkaloitumisen myöhemmän latauksen aikana. Ylivaraus upottaa liiallisia litiumioneja anodin hiilirakenteeseen, jolloin osa litiumioneista jää pysyvästi poistumattomiksi.
Optimaalinen lataus- ja purkukuvio litiumioniakun suorituskyvyn ylläpitämiseksi on matala lataus ja matala purkaus. Yleensä syklin käyttöikä alle 60 % purkaussyvyyden (DOD) on 2–4 kertaa alle 100 % DOD.
