Цей тип акумуляторів спирається на здатність іонів Li+ легко інтеркалюватися (тобто оборотним чином вбудовуватися) в кристалічну ґратку деяких матеріалів (графіт, оксиди та солі металів).
Сьогодні Li-Ion акумулятори є одними з найбільш розповсюджених. Вони широко застосовуються в побутовій техніці, інформаційно-обчислювальних системах, електротранспорті, накопичувачах енергії в енергетичних системах тощо.
Основні переваги Li-Ion акумуляторів
- Здатність тривалий час зберігати запасену хімічну енергію (низьке саморозрядження).
- Високий розрядний струм (струмовіддача).
- Велика кількість циклів заряджання/розряджання.
- Відсутність необхідності обслуговування.
- Компактні розміри.
- Порівняно невисока вартість виробництва.
Конструкція та принцип роботи Li-Ion акумулятора
Основними компонентами Li-Ion акумулятору є електроди (катод і анод), пористий сепаратор та електроліт, до складу якого входять солі літію. В якості катодного матеріалу використовується сполука, що утримує літій за рахунок інтеркаляції, наприклад, LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4 тощо. Відповідно, катод та електроліт відіграють роль первинних джерел іонів Li+. Анод зазвичай виготовляється з вуглецевих матеріалів, які мають шарувату кристалічну структуру і легко інтеркалють в себе Li+. Діелектричний сепаратор, пропитаний електролітом, запобігає електричному контакту (короткому замиканню) анода і катода, але дозволяє іонам літію вільно переміщуватися між ними завдяки наявності пор.
Зазвичай, при взаємодії з електролітом електрод отримує ненульовий електричний потенціал (електродний потенціал) внаслідок так званих електродних реакцій. Відповідно, при виготовленні Li-Ion акумуляторів матеріали електродів та електроліту підбираються таким чином, щоб отримати високу але безпечну для роботи пристрою різницю потенціалів між катодом і анодом.
При зарядженні акумулятора, його анод і катод відповідно з’єднуються з негативним та позитивним виводами зовнішнього джерела струму. При цьому іони Li+ під впливом різниці потенціалів між електродами вивільнюються з катоду та рухаються в електроліті через сепаратор до аноду, який їх інтеркалює. В свою чергу, «надлишкові» електрони в катоді рухаються в анод через коло зовнішнього джерела струму.
При відключенні зовнішнього джерела струму, рух іонів та електронів через електроліт блокується подвійним електричним шаром, що утворюється на границях розділу електроліту та електродів. Це дозволяє зберігати накопчену під час зарядження хімічну енергію.
Приєднання до електродів електричної навантаги ініціює процес розрядження акумулятора. При цьому через коло навантаги протікає струм електронів в напрямку від аноду до катоду. Відповідна зміна потенціалу катоду приводить до вивільнення іонів Li+ з аноду, які починають повертатися на катод.
Вдосконалення Li-Ion акумуляторів: вибір матеріалів
Попри порівняно простий принцип роботи, поточні конструкція і властивості Li-Ion акумуляторів ще далекі від ідеальних. Тому в світі не припиняються дослідження і розробки, націлені на покращення таких важливих характеристик як: питома потужність, питома енергія, питома енергоємність, густина енергії, швидкість саморозрядження, час роботи, термін службі, безпечність ,собівартість тощо.
Ключовим напрямком є підбір матеріалів для компонентів Li-Ion акумуляторів (анод, катод, електроліт, сепаратор, корпус). Такі задачі можуть бути виконані лише за умови використання сучасних методів аналізу матеріалів та відповідного високоякісного обладнання.
