Som den mest grundläggande energilagrings- och frigöringsenheten i litium-jonbatteritekniksystemet är litium-jonbattericellen det grundläggande elementet som bestämmer prestanda, livslängd och säkerhet för batteripaketet. I huvudsak uppnår den effektiv omvandling av kemisk energi till elektrisk energi genom reversibel insättning och extraktion av litiumjoner mellan de positiva och negativa elektroderna, vilket spelar en oersättlig roll i det moderna nya energiområdet. En djup förståelse av strukturen, principerna och egenskaperna hos litium-jonbatterier är avgörande för att ta tag i applikationslösningens utvecklingsväg och för att optimera applikationsteknologin.
Strukturellt sett består en typisk litium-jonbattericell huvudsakligen av fem delar: den positiva elektroden, den negativa elektroden, elektrolyten, separatorn och höljet. Det positiva elektrodmaterialet använder vanligtvis skiktade oxider (som litiumnickelkoboltmanganoxid och litiumnickelkoboltaluminiumoxid), olivinfosfater (som litiumjärnfosfat), eller litiummanganoxid av spinelltyp, som ansvarar för frisättning av litium. Den negativa elektroden består huvudsakligen av grafit, med vissa-avancerade celler som använder kisel-baserade kompositmaterial för att öka kapaciteten; dess funktion är att ta emot och lagra litiumjoner under laddning. Elektrolyten är vanligtvis en blandning av organiska karbonatlösningsmedel och litiumsalter (såsom litiumhexafluorfosfat), som tjänar som medium för jonledning. Separatorn är ett isolerande material med en mikroporös struktur, utformad för att förhindra direktkontakt mellan de positiva och negativa elektroderna, vilket förhindrar kortslutningar, samtidigt som litiumjoner kan passera fritt. Ytterhöljet ger mekaniskt skydd och en förseglad miljö, vanligtvis i form av aluminium-plastfilm (mjuk pack), stål eller aluminiumhöljen.
Arbetsprincipen för en litium-jonbattericell är baserad på en elektrokemisk redoxreaktion. Under laddning, under påverkan av ett pålagt elektriskt fält, frigörs litiumjoner från det positiva elektrodgittret, passerar genom elektrolyten och separatorn och bäddar in sig mellan lagren av det negativa elektrodmaterialet. Elektroner strömmar till den negativa elektroden genom den externa kretsen och omvandlar elektrisk energi till kemisk energi. Urladdningsprocessen är den omvända: litiumjoner frigörs från den negativa elektroden och återgår till den positiva elektroden, medan elektroner utför arbete genom den externa kretsen och ger elektrisk energi till belastningen. Denna "gungstols"-reaktionsmekanism ger litiumbatterier fördelarna med hög energitäthet och lång livslängd, samtidigt som den ställer höga krav på materialstabilitet, gränssnittskompatibilitet och tillverkningsprecision.
Battericellens prestandaegenskaper avgör direkt dess tillämpningsscenarier. När det gäller energitäthet kan hög-nickel ternära litium-jonceller nå 250-300Wh/kg, lämpligt för elfordon med höga krav på räckvidd; litiumjärnfosfatceller har en något lägre energitäthet (cirka 150-200Wh/kg), men har utmärkt cykelstabilitet och säkerhet vid hög-temperatur, och används ofta i energilagring och kommersiella fordon. Hastighetsprestanda återspeglar cellens{10}höga laddnings- och urladdningskapacitet. Hastighetsegenskaper kan förbättras genom material nano-dimensionering, optimering av ledande medel och strukturell design för att möta kraven på snabbladdning och hög effekt. Cykellivslängden är nära relaterad till elektrodmaterialens strukturella stabilitet, enhetligheten hos SEI-filmen (fast elektrolytgränssnittsfilm) och elektrolytens oxidationsmotstånd. Högkvalitativa celler kan uppnå mer än 2000 djupa cykler vid rumstemperatur.
Säkerheten är av största vikt vid celldesign. Termisk rusning är den största risken, som härrör från en kedja av exoterma reaktioner orsakade av överladdning, kortslutning, höga temperaturer eller över{1}}urladdning. Genom att modifiera material (som positiv elektrodbeläggning och negativ elektrodför-litiering), applicera keramiska beläggningar på separatorn, använda flamskyddsmedel i elektrolyten och designa säkerhetsventiler, kan den termiska stabiliteten och motståndet mot missbruk av battericeller förbättras avsevärt. Dessutom är renligheten och konsistenskontrollen av tillverkningsprocessen också avgörande; kontaminering av främmande ämnen eller felinriktning av elektroderna kan leda till lokaliserade mikro-kortslutningar, vilket skapar potentiella säkerhetsrisker.
För närvarande utvecklas litium-jonbattericellteknik mot högre energitäthet, högre säkerhet, lägre kostnader och miljövänlighet. Appliceringen av fasta-elektrolyter förväntas helt eliminera riskerna för läckage och förbränning i samband med flytande elektrolyter; utvecklingen av kobolt-fria och låg-nickelpositiva elektrodmaterial kan minska resursberoendet och kostnaderna; och innovativ tillverkningsteknik som torrelektrodprocesser kan förbättra produktionseffektiviteten och minska energiförbrukningen. Som kärnenheten för energilagring och kraftsystem kommer kontinuerlig innovation inom litium-jonbattericeller att ge ett gediget stöd för utvecklingen av nya energifordon, smarta nät och bärbara elektroniska enheter.
