به عنوان اساسی ترین واحد ذخیره و رهاسازی انرژی در سیستم فناوری باتری لیتیوم-یون، سلول باتری لیتیوم{{1} یون عنصر اساسی تعیین کننده عملکرد، طول عمر و ایمنی بسته باتری است. اساساً، تبدیل کارآمد انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی را از طریق وارد کردن و استخراج برگشت پذیر یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی انجام می دهد که نقشی بی بدیل در زمینه انرژی جدید مدرن ایفا می کند. درک عمیق ساختار، اصول و ویژگی های سلول های باتری لیتیوم{4} یونی برای درک راه حل کاربرد باتری و بهینه سازی مسیر بسیار مهم است.
از نظر ساختاری، یک سلول باتری لیتیوم{0} یون معمولی عمدتاً از پنج بخش تشکیل شده است: الکترود مثبت، الکترود منفی، الکترولیت، جداکننده، و پوشش. مواد الکترود مثبت معمولاً از اکسیدهای لایهای (مانند لیتیوم نیکل کبالت اکسید منگنز و لیتیوم نیکل اکسید آلومینیوم کبالت)، الیوین فسفات (مانند فسفات آهن لیتیوم) یا اسپینل{2} نوع اکسید لیتیوم منگنز که در طول اکسیداسیون لیتیوم منگنز مسئول هستند، استفاده میکند. الکترود منفی عمدتاً از گرافیت تشکیل شده است و برخی از سلولهای انتهایی بالا از مواد مرکب-سیلیکونی برای افزایش ظرفیت استفاده میکنند. وظیفه آن دریافت و ذخیره یون های لیتیوم در هنگام شارژ است. الکترولیت معمولاً مخلوطی از حلالهای کربنات آلی و نمکهای لیتیوم (مانند لیتیوم هگزا فلوروفسفات) است که به عنوان محیطی برای هدایت یونی عمل میکند. جداکننده یک ماده عایق با ساختار ریز متخلخل است که برای جلوگیری از تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی طراحی شده است، بنابراین از اتصال کوتاه جلوگیری می کند، در حالی که اجازه می دهد یون های لیتیوم آزادانه عبور کنند. پوشش بیرونی محافظت مکانیکی و محیطی مهر و موم شده را، معمولاً به شکل آلومینیم{9}}فیلم پلاستیکی (بسته نرم)، فولاد، یا روکش آلومینیومی فراهم می کند.
اصل کار یک سلول باتری لیتیوم{0} یونی بر اساس واکنش ردوکس الکتروشیمیایی است. در حین شارژ، تحت تأثیر میدان الکتریکی اعمال شده، یون های لیتیوم از شبکه الکترود مثبت آزاد می شوند، از الکترولیت و جداکننده عبور می کنند و خود را بین لایه های ماده الکترود منفی قرار می دهند. الکترون ها از طریق مدار خارجی به سمت الکترود منفی می روند و انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند. فرآیند تخلیه برعکس است: یون های لیتیوم از الکترود منفی آزاد می شوند و به الکترود مثبت باز می گردند، در حالی که الکترون ها از طریق مدار خارجی کار می کنند و انرژی الکتریکی را برای بار تامین می کنند. این مکانیسم واکنش "صندلی گهواره ای" به باتری های لیتیومی مزیت های چگالی انرژی بالا و عمر چرخه طولانی را می دهد، در حالی که الزامات سخت گیرانه ای را در مورد پایداری مواد، سازگاری سطحی و دقت ساخت تحمیل می کند.
ویژگی های عملکرد سلول باتری به طور مستقیم سناریوهای کاربردی آن را تعیین می کند. از نظر چگالی انرژی، سلولهای یونی-لیتیوم سهگانه-نیکل بالا میتوانند به 250-300Wh/kg برسند که برای وسایل نقلیه الکتریکی با نیازهای برد بالا مناسب است. سلولهای فسفات آهن لیتیوم چگالی انرژی کمی پایینتر دارند (تقریباً 150-200Wh/kg)، اما دارای ثبات چرخه دمای بالا و ایمنی عالی هستند و به طور گسترده در ذخیرهسازی انرژی و وسایل نقلیه تجاری استفاده میشوند. عملکرد نرخ نشاندهنده قابلیت شارژ و دشارژ بالای سلول است. ویژگیهای نرخ را میتوان از طریق اندازهگیری نانو مواد، بهینهسازی عامل رسانا، و طراحی ساختاری برای پاسخگویی به نیازهای شارژ سریع و توان خروجی بالا بهبود بخشید. عمر چرخه ارتباط نزدیکی با پایداری ساختاری مواد الکترود، یکنواختی فیلم SEI (فیلم رابط الکترولیت جامد) و مقاومت در برابر اکسیداسیون الکترولیت دارد. سلول های با کیفیت بالا می توانند بیش از 2000 چرخه عمیق را در دمای اتاق به دست آورند.
ایمنی در طراحی سلول بسیار مهم است. فرار حرارتی خطر اصلی است که از زنجیره ای از واکنش های گرمازا ناشی از شارژ بیش از حد، اتصال کوتاه، دمای بالا، یا تخلیه بیش از حد ناشی می شود. با اصلاح مواد (مانند پوشش الکترود مثبت و قبل از لیتیاسیون الکترود منفی)، اعمال پوششهای سرامیکی روی جداکننده، استفاده از افزودنیهای کندکننده شعله در الکترولیت و طراحی دریچههای ایمنی، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر سوء استفاده از سلولهای باتری را میتوان به طور قابل توجهی بهبود بخشید. علاوه بر این، کنترل تمیزی و سازگاری فرآیند تولید نیز بسیار مهم است. آلودگی مواد خارجی یا ناهماهنگی در تراز الکترود می تواند منجر به اتصال کوتاه میکرو- موضعی شود و خطرات ایمنی بالقوه ایجاد کند.
در حال حاضر، فناوری سلول باتری لیتیوم{0} یون به سمت چگالی انرژی بالاتر، ایمنی بالاتر، هزینه کمتر و سازگاری با محیط زیست در حال تکامل است. انتظار میرود استفاده از الکترولیتهای حالت جامد خطرات نشت و احتراق مرتبط با الکترولیتهای مایع را کاملاً از بین ببرد. توسعه مواد الکترود مثبت -آزاد و کم{4}}کبالت میتواند وابستگی به منابع و هزینهها را کاهش دهد. و فن آوری های نوآورانه تولید مانند فرآیندهای الکترود خشک می تواند کارایی تولید را بهبود بخشد و مصرف انرژی را کاهش دهد. به عنوان واحد اصلی ذخیرهسازی انرژی و سیستمهای قدرت، نوآوری مستمر در سلولهای باتری لیتیوم{6} یون پشتیبانی محکمی برای توسعه جهشی وسایل نقلیه انرژی جدید، شبکههای هوشمند و دستگاههای الکترونیکی قابل حمل فراهم میکند.
