Jako nejzákladnější jednotka pro ukládání a uvolňování energie v systému technologie lithium{0}iontových baterií je článek lithium{1}iontové baterie základním prvkem určujícím výkon, životnost a bezpečnost baterie. V podstatě dosahuje efektivní přeměny chemické energie na elektrickou energii prostřednictvím reverzibilního vkládání a extrakce iontů lithia mezi kladné a záporné elektrody, což hraje nezastupitelnou roli v moderním novém energetickém poli. Hluboké pochopení struktury, principů a vlastností lithium-iontových bateriových článků je zásadní pro pochopení vývojové trajektorie bateriové technologie a optimalizaci aplikačních řešení.
Strukturálně se typický článek lithium{0}}iontové baterie skládá hlavně z pěti částí: kladné elektrody, záporné elektrody, elektrolytu, separátoru a pouzdra. Materiál kladné elektrody obvykle používá vrstvené oxidy (jako je lithium-nikl-kobalt-oxid manganu a lithium-nikl-kobalt-oxid hliníku), olivínfosfáty (jako je fosforečnan lithno-železitý) nebo oxid lithno-manganový spinel{2}}typu, které jsou zodpovědné za uvolňování iontů lithia během nabíjení. Záporná elektroda se skládá hlavně z grafitu, přičemž některé články vyšší třídy používají ke zvýšení kapacity kompozitní materiály na bázi křemíku-; jeho funkcí je přijímat a ukládat ionty lithia během nabíjení. Elektrolyt je typicky směs organických uhličitanových rozpouštědel a solí lithia (jako je hexafluorfosfát lithný), sloužící jako médium pro vedení iontů. Separátor je izolační materiál s mikroporézní strukturou, navržený tak, aby zabránil přímému kontaktu mezi kladnými a zápornými elektrodami, a tím předcházel zkratům a zároveň umožňoval volný průchod iontů lithia. Vnější plášť poskytuje mechanickou ochranu a utěsněné prostředí, běžně ve formě hliníkové-plastové fólie (soft pack), ocelových nebo hliníkových plášťů.
Princip činnosti lithium-iontové baterie je založen na elektrochemické redoxní reakci. Během nabíjení se pod vlivem aplikovaného elektrického pole uvolňují ionty lithia z mřížky kladné elektrody, procházejí elektrolytem a separátorem a ukládají se mezi vrstvy materiálu záporné elektrody. Elektrony proudí k záporné elektrodě přes vnější obvod a přeměňují elektrickou energii na chemickou energii. Proces vybíjení je opačný: ionty lithia se uvolňují ze záporné elektrody a vracejí se do kladné elektrody, zatímco elektrony vykonávají práci prostřednictvím vnějšího obvodu a poskytují elektrickou energii zátěži. Tento reakční mechanismus „houpacího křesla“ dává lithiovým bateriím jejich výhody vysoké hustoty energie a dlouhé životnosti a zároveň klade přísné požadavky na stabilitu materiálu, kompatibilitu rozhraní a přesnost výroby.
Výkonnostní charakteristiky bateriového článku přímo určují jeho aplikační scénáře. Pokud jde o hustotu energie, vysoko-niklové ternární lithium-iontové články mohou dosáhnout 250-300 Wh/kg, což je vhodné pro elektrická vozidla s vysokými požadavky na dojezd; Lithium-železofosfátové články mají o něco nižší energetickou hustotu (přibližně 150-200Wh/kg), ale mají vynikající stabilitu a bezpečnost při vysokých-teplotních cyklech a jsou široce používány ve skladech energie a užitkových vozidlech. Rychlostní výkon odráží schopnost článku{10}vysokým proudem nabíjet a vybíjet. Rychlostní charakteristiky lze zlepšit nano{13}}dimenzováním materiálu, optimalizací vodivých činidel a konstrukčním návrhem, aby byly splněny požadavky na rychlé nabíjení a vysoký výstupní výkon. Životnost cyklu úzce souvisí se strukturální stabilitou materiálů elektrod, stejnoměrností filmu SEI (film rozhraní pevného elektrolytu) a odolností elektrolytu vůči oxidaci. Vysoce kvalitní články mohou dosáhnout více než 2000 hlubokých cyklů při pokojové teplotě.
Bezpečnost je při návrhu buněk prvořadá. Hlavním rizikem je tepelný únik, který pramení z řetězce exotermických reakcí způsobených přebíjením, zkraty, vysokými teplotami nebo nad{1}}vybíjením. Úpravou materiálů (jako je povlak kladné elektrody a pre-prelitace záporné elektrody), nanášením keramických povlaků na separátor, používáním přísad zpomalujících hoření v elektrolytu a navržením bezpečnostních ventilů lze výrazně zlepšit tepelnou stabilitu a odolnost bateriových článků. Kromě toho je také zásadní kontrola čistoty a konzistence výrobního procesu; kontaminace cizími tělesy nebo nesprávné vyrovnání elektrod může vést k lokalizovaným mikro-zkratům, což může způsobit potenciální bezpečnostní rizika.
Technologie lithium{0}}iontových baterií se v současné době vyvíjí směrem k vyšší hustotě energie, vyšší bezpečnosti, nižším nákladům a šetrnosti k životnímu prostředí. Očekává se, že použití elektrolytů v pevném skupenství- zcela eliminuje rizika úniku a spalování spojená s kapalnými elektrolyty; vývoj kladných elektrodových materiálů s nízkým obsahem niklu a {-bez kobaltu a niklu může snížit závislost na zdrojích a snížit náklady; a inovativní výrobní technologie, jako jsou procesy suchých elektrod, mohou zlepšit efektivitu výroby a snížit spotřebu energie. Neustálé inovace v oblasti lithium-iontových bateriových článků jakožto základní jednotky systémů pro skladování energie a napájení poskytnou solidní podporu pro skokový vývoj nových energetických vozidel, inteligentních sítí a přenosných elektronických zařízení.
