Liitiumioonakude peamised komponendid
(1) Katood (positiivne elektrood)– Aktiivsete materjalide hulka kuuluvad peamiselt liitiumkoobaltoksiid, liitiummanganaat, liitiumraudfosfaat, liitiumnikkeloksiid, nikkel-koobalt-mangaan kolmekomponendilised materjalid jne. Juhtiva voolukollektorina kasutatakse tavaliselt 10–20 mikromeetri paksust alumiiniumfooliumi.
(2) Eraldaja– Spetsiaalne plastmembraan, mis laseb liitiumioonidel elektrone isoleerides läbi. Praegu on see peamiselt valmistatud PE-st, PP-st või nende komposiitidest. Samuti on olemas anorgaanilised tahkete ainete eraldajad; näiteks alumiiniumoksiidiga kaetud separaator on teatud tüüpi anorgaaniline tahke aine eraldaja.
(3) Anood (negatiivne elektrood)– Aktiivsete materjalide hulka kuuluvad peamiselt grafiit, liitiumtitanaat või grafiiditaolise struktuuriga süsinikmaterjalid. Juhtiva voolukollektorina kasutatakse tavaliselt vaskfooliumi paksusega 7–15 mikromeetrit.
(4) Elektrolüüt– Tavaliselt orgaaniline süsteem, näiteks karbonaadipõhised lahustid, mis on lahustatud liitiumheksafluorofosfaadiga. Mõned polümeerakud kasutavad geel-tüüpi elektrolüüte.
(5) Aku korpus– Jaotatud peamiselt kõvadeks (teraskestad, alumiiniumkestad, nikeldatud raudkestad jne) ja pehmeteks korpusteks (alumiinium-plastkile).
Laadimise ajal de-interkaleeruvad liitiumioonid katoodilt ja interkaleeruvad anoodiks; tühjenemise ajal toimub vastupidine. Enne kokkupanekut peab üks elektrood olema liitiumiga interkaleeritud olekus. Katoodimaterjalideks valitakse tavaliselt liitiumiga interkaleeritud siirdemetallide oksiidid, mille potentsiaal on liitiumi suhtes suurem kui 3 V ja mis on õhus stabiilsed, näiteks LiCoO₂, LiNiO₂ ja LiMn₂O4.
Anoodmaterjalid on liitiumiga interkaleeritavad ühendid, mille potentsiaal on võimalikult lähedane liitiumi potentsiaalile, sealhulgas mitmesugused süsinikmaterjalid (looduslik grafiit, sünteetiline grafiit, süsinikkiud, mesosüsiniku mikrohelmed jne) ja metallioksiidid, nagu SnO, SnO₂ ja tina komposiitoksiidid SnB₂ₓ}–0.0. y=0.6–0,4, z=(2 + 3x + 5y)/2).
Elektrolüüt kasutab alküülkarbonaatide, näiteks etüleenkarbonaadi (EC), propüleenkarbonaadi (PC) ja madala viskoossusega dietüülkarbonaadi (DEC) segalahustisüsteemi, mis on lahustatud LiPF₆-ga.
Separaatorid on polüolefiinist mikropoorsed PE, PP või nende komposiitkiled. Eelkõige on PP/PE/PP kolmekihilistel separaatoritel madal sulamistemperatuur ja kõrge torkekindlus, mis toimivad soojuskaitsena.
Korpused on valmistatud terasest või alumiiniumist ning kattekomplektid on varustatud plahvatuskindlate ja voolukatkestusfunktsioonidega.
Põhiline tööpõhimõte
Kui aku on laetud, ekstraheeritakse liitiumioonid katoodis olevatest liitiumit sisaldavatest ühenditest ja migreeruvad läbi elektrolüüdi anoodile. Anoodi süsinikmaterjalil on kihiline struktuur koos arvukate mikropooridega, kuhu on põimitud liitiumioonid. Rohkem sisseehitatud liitiumioone tähendab suuremat laadimisvõimsust.
Tühjenemise ajal (kui aku on kasutusel) ekstraheeritakse anoodi süsinikukihtidesse põimitud liitiumioonid ja migreeruvad need tagasi katoodile. Rohkem katoodile naasvaid liitiumioone vastab suuremale tühjendusvõimsusele. Aku mahutavus, millele me tavaliselt viitame, on tühjendusvõimsus.
Liitiumioonakude laadimis- ja tühjenemistsüklite ajal liiguvad liitiumioonid katoodi ja anoodi vahel edasi-tagasi. See on analoogne kiiktooliga: tooli kaks otsa tähistavad kahte elektroodi ja liitiumioonid liiguvad nende vahel korduvalt. Seetõttu nimetatakse liitiumioonakusid ka kiiktooliakudeks.
Laadimis-tühjendusmehhanism
Liitiumioonakude laadimisprotsess koosneb kahest etapist: konstantse vooluga laadimine ja konstantse pinge laadimine järk-järgult väheneva vooluga.
Ülelaadimine ja ülelaadimine põhjustavad katoodi ja anoodi püsivaid kahjustusi. Liigne tühjenemine põhjustab anoodi süsiniku kihilise struktuuri kokkuvarisemist, takistades liitiumioonide interkaleerumist järgneva laadimise ajal. Ülelaadimine kinnistab anoodi süsiniku struktuuri liigsed liitiumioonid, jättes mõned liitiumioonid püsivalt ekstraheerimatuks.
Optimaalne laadimis- ja tühjenemismuster liitiumioonaku töövõime säilitamiseks on madallaadimine ja pindmine tühjenemine. Üldiselt on tsükli eluiga alla 60% tühjendussügavuse (DOD) 2–4 korda pikem kui alla 100% DOD.
