เนื่องจากเป็นหน่วยกักเก็บและปล่อยพลังงานขั้นพื้นฐานที่สุดในระบบเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียม- เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม- จึงเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่กำหนดประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ โดยพื้นฐานแล้ว สามารถแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการแทรกและการสกัดลิเธียมไอออนแบบพลิกกลับได้ระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบ ซึ่งมีบทบาทที่ไม่สามารถทดแทนได้ในสนามพลังงานใหม่สมัยใหม่ ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับโครงสร้าง หลักการ และคุณลักษณะของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเข้าใจวิถีการพัฒนาของเทคโนโลยีแบตเตอรี่และการเพิ่มประสิทธิภาพโซลูชันการใช้งาน
ตามโครงสร้าง เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน-ทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้าส่วน: อิเล็กโทรดบวก อิเล็กโทรดลบ อิเล็กโทรไลต์ ตัวคั่น และตัวหุ้ม โดยทั่วไป วัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกจะใช้ออกไซด์แบบหลายชั้น (เช่น ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสออกไซด์และลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์อลูมิเนียมออกไซด์) โอลิวีนฟอสเฟต (เช่นลิเธียมเหล็กฟอสเฟต) หรือลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ประเภทสปิเนล- ซึ่งทำหน้าที่ปล่อยไอออนลิเธียมในระหว่างการชาร์จ อิเล็กโทรดขั้วลบส่วนใหญ่ประกอบด้วยกราไฟต์ โดยมีเซลล์ปลายสูง-บางส่วนใช้วัสดุคอมโพสิตที่มีซิลิคอน-เพื่อเพิ่มกำลังการผลิต หน้าที่ของมันคือการรับและจัดเก็บลิเธียมไอออนระหว่างการชาร์จ โดยทั่วไปอิเล็กโทรไลต์จะเป็นส่วนผสมของตัวทำละลายอินทรีย์คาร์บอเนตและเกลือลิเธียม (เช่น ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต) ซึ่งทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการนำไอออน ตัวคั่นเป็นวัสดุฉนวนที่มีโครงสร้างพรุนขนาดเล็ก ออกแบบมาเพื่อป้องกันการสัมผัสโดยตรงระหว่างอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบ จึงป้องกันการลัดวงจร ในขณะเดียวกันก็ปล่อยให้ลิเธียมไอออนผ่านได้อย่างอิสระ ปลอกด้านนอกให้การปกป้องทางกลและสภาพแวดล้อมที่ปิดผนึก โดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของฟิล์มอลูมิเนียม-พลาสติก (แพ็คอ่อน) เหล็ก หรือปลอกอลูมิเนียม
หลักการทำงานของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม-ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยารีดอกซ์เคมีไฟฟ้า ในระหว่างการชาร์จ ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่ใช้ ลิเธียมไอออนจะถูกปล่อยออกมาจากตาข่ายอิเล็กโทรดบวก ผ่านอิเล็กโทรไลต์และตัวแยก และฝังตัวไว้ระหว่างชั้นของวัสดุอิเล็กโทรดลบ อิเล็กตรอนจะไหลไปยังขั้วลบผ่านวงจรภายนอก เพื่อแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี กระบวนการคายประจุเป็นแบบย้อนกลับ: ลิเธียมไอออนจะถูกปล่อยออกจากอิเล็กโทรดลบและกลับสู่อิเล็กโทรดบวก ในขณะที่อิเล็กตรอนทำงานผ่านวงจรภายนอก โดยให้พลังงานไฟฟ้าแก่โหลด กลไกปฏิกิริยา "เก้าอี้โยก" นี้ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมมีข้อได้เปรียบในด้านความหนาแน่นของพลังงานสูงและอายุการใช้งานที่ยาวนาน ขณะเดียวกันก็กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความเสถียรของวัสดุ ความเข้ากันได้ของพื้นผิว และความแม่นยำในการผลิต
คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของเซลล์แบตเตอรี่จะกำหนดสถานการณ์การใช้งานได้โดยตรง ในแง่ของความหนาแน่นของพลังงาน เซลล์ลิเธียมไอออน-นิกเกิลไตรภาค-สูงสามารถเข้าถึง 250-300Wh/kg เหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าที่มีความต้องการช่วงสูง เซลล์ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าเล็กน้อย (ประมาณ 150-200Wh/kg) แต่มีเสถียรภาพและความปลอดภัยของวงจรอุณหภูมิสูง-เป็นเลิศ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการจัดเก็บพลังงานและยานพาหนะเพื่อการพาณิชย์ ประสิทธิภาพของอัตราสะท้อนถึงความสามารถในการ-ประจุและคายประจุปัจจุบันที่สูงของเซลล์ คุณลักษณะของอัตราสามารถปรับปรุงได้โดยใช้ขนาดนาโนของวัสดุ- การเพิ่มประสิทธิภาพของสารนำไฟฟ้า และการออกแบบโครงสร้างเพื่อตอบสนองความต้องการในการชาร์จที่รวดเร็วและเอาต์พุตกำลังสูง อายุการใช้งานของวงจรมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความเสถียรทางโครงสร้างของวัสดุอิเล็กโทรด ความสม่ำเสมอของฟิล์ม SEI (ฟิล์มเชื่อมต่ออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง) และความต้านทานออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์ เซลล์คุณภาพสูงสามารถบรรลุรอบลึกได้มากกว่า 2,000 รอบที่อุณหภูมิห้อง
ความปลอดภัยเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในการออกแบบเซลล์ การหนีความร้อนเป็นความเสี่ยงหลัก ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาลูกโซ่ของปฏิกิริยาคายความร้อนที่เกิดจากการอัดประจุมากเกินไป การลัดวงจร อุณหภูมิสูง หรือการคายประจุเกิน- การปรับเปลี่ยนวัสดุ (เช่น การเคลือบอิเล็กโทรดเชิงบวกและการเตรียมลิไทเอชั่นของอิเล็กโทรดเชิงลบ) การใช้การเคลือบเซรามิกกับตัวแยก การใช้สารเติมแต่งสารหน่วงไฟ-ในอิเล็กโทรไลต์ และการออกแบบวาล์วนิรภัย จะทำให้เสถียรภาพทางความร้อนและความต้านทานต่อการใช้เซลล์แบตเตอรี่ในทางที่ผิดสามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ การควบคุมความสะอาดและความสม่ำเสมอของกระบวนการผลิตก็มีความสำคัญเช่นกัน การปนเปื้อนของสิ่งแปลกปลอมหรือการจัดตำแหน่งอิเล็กโทรดที่ไม่ตรงอาจทำให้เกิดการลัดวงจรขนาดเล็ก- ทำให้เกิดอันตรายด้านความปลอดภัยได้
ปัจจุบัน เทคโนโลยีเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม-กำลังพัฒนาไปสู่ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ความปลอดภัยที่สูงขึ้น ต้นทุนที่ลดลง และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การใช้อิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง-คาดว่าจะช่วยลดความเสี่ยงของการรั่วไหลและการเผาไหม้ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กโทรไลต์ของเหลวได้อย่างสมบูรณ์ การพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกนิกเกิล-ที่ปราศจากโคบอลต์และต่ำ-สามารถลดการพึ่งพาทรัพยากรและต้นทุนได้ และเทคโนโลยีการผลิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เช่น กระบวนการอิเล็กโทรดแบบแห้งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและลดการใช้พลังงานได้ ในฐานะหน่วยหลักของระบบกักเก็บพลังงานและระบบไฟฟ้า นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนจะให้การสนับสนุนที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดของยานพาหนะพลังงานใหม่ กริดอัจฉริยะ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา
