Litium-ioni-akkuteknologiajärjestelmän tärkeimpänä energian varastointi- ja vapautusyksikkönä litium-ioni-akkukenno on akun suorituskyvyn, käyttöiän ja turvallisuuden määräävä peruselementti. Pohjimmiltaan se saavuttaa tehokkaan kemiallisen energian muuntamisen sähköenergiaksi siirtämällä ja poistamalla litiumioneja positiivisten ja negatiivisten elektrodien väliin, ja sillä on korvaamaton rooli nykyaikaisessa uudessa energiakentässä. Litium--ioni-akkukennojen rakenteen, periaatteiden ja ominaisuuksien syvä ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää akkuteknologian kehityspolun ymmärtämisessä ja sovellusten optimoinnissa.
Rakenteellisesti tyypillinen litium{0}}ioni-akkukenno koostuu pääasiassa viidestä osasta: positiivisesta elektrodista, negatiivisesta elektrodista, elektrolyytistä, erottimesta ja kotelosta. Positiivisessa elektrodimateriaalissa käytetään tyypillisesti kerrosoksideja (kuten litiumnikkelin kobolttimangaanioksidia ja litiumnikkelin kobolttialumiinioksidia), oliviinifosfaatteja (kuten litiumrautafosfaattia) tai spinelli--tyyppistä litiummangaanioksidia, joka on vastuussa litiumhiilen muodostumisesta. Negatiivinen elektrodi koostuu pääasiassa grafiitista, ja jotkin huippuluokan kennot käyttävät pii-pohjaisia komposiittimateriaaleja kapasiteetin lisäämiseksi. Sen tehtävänä on vastaanottaa ja varastoida litiumioneja latauksen aikana. Elektrolyytti on tyypillisesti orgaanisten karbonaattiliuottimien ja litiumsuolojen (kuten litiumheksafluorifosfaatin) seos, joka toimii väliaineena ionien johtamiselle. Erotin on mikrohuokoisen rakenteen omaavaa eristävää materiaalia, joka on suunniteltu estämään suora kosketus positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä, mikä estää oikosulkuja ja sallii litiumionien kulkea vapaasti. Ulkokuori tarjoaa mekaanisen suojan ja tiiviin ympäristön, yleensä alumiini-muovikalvon (pehmeä pakkaus), teräs- tai alumiinikotelon muodossa.
Litium{0}}ioni-akkukennon toimintaperiaate perustuu sähkökemialliseen redox-reaktioon. Latauksen aikana litiumioneja vapautuu sähkökentän vaikutuksesta positiivisesta elektrodihilasta, ne kulkevat elektrolyytin ja erottimen läpi ja uppoavat negatiivisen elektrodimateriaalin kerrosten väliin. Elektronit virtaavat negatiiviselle elektrodille ulkoisen piirin kautta muuntaen sähköenergian kemialliseksi energiaksi. Purkausprosessi on päinvastainen: litiumionit vapautuvat negatiivisesta elektrodista ja palaavat positiiviselle elektrodille, kun taas elektronit suorittavat työtä ulkoisen piirin kautta ja tuottavat sähköenergiaa kuormaan. Tämä "keinutuoli"-reaktiomekanismi antaa litiumakuille korkean energiatiheyden ja pitkän käyttöiän edut sekä asettaa tiukat vaatimukset materiaalin vakaudelle, rajapintojen yhteensopivuudelle ja valmistustarkkuudelle.
Akkukennon suorituskykyominaisuudet määräävät suoraan sen käyttöskenaariot. Mitä tulee energiatiheyteen, korkeat-nikkelikolmilitium--ionit voivat saavuttaa 250-300 Wh/kg, mikä sopii sähköajoneuvoihin, joilla on korkeat toimintamatkavaatimukset. litiumrautafosfaattikennojen energiatiheys on hieman pienempi (noin 150{7}}200 Wh/kg), mutta niillä on erinomainen korkeiden lämpötilojen stabiilisuus ja turvallisuus, ja niitä käytetään laajalti energian varastoinnissa ja hyötyajoneuvoissa. Nopeussuorituskyky kuvastaa kennon suurta{10}}virtalataus- ja purkauskykyä. Nopeusominaisuuksia voidaan parantaa materiaalin nano-kootuksella, johtavien aineiden optimoinnilla ja rakennesuunnittelulla vastaamaan nopean latauksen ja suuren tehon vaatimuksiin. Jakson käyttöikä liittyy läheisesti elektrodimateriaalien rakenteelliseen stabiilisuuteen, SEI-kalvon (kiinteän elektrolyytin rajapintakalvon) tasaisuuteen ja elektrolyytin hapettumiskestävyyteen. Korkealaatuiset kennot voivat saavuttaa yli 2000 syvää sykliä huoneenlämpötilassa.
Turvallisuus on ensiarvoisen tärkeää solujen suunnittelussa. Lämpökarkailu on suurin riski, joka johtuu eksotermisten reaktioiden ketjusta, joka johtuu ylilatauksesta, oikosuluista, korkeista lämpötiloista tai ylipurkauksesta. Muokkaamalla materiaaleja (kuten positiivisen elektrodin pinnoitusta ja negatiivisen elektrodin esi-litaatiota), levittämällä erottimeen keraamisia pinnoitteita, käyttämällä elektrolyytissä paloa hidastavia lisäaineita ja suunnittelemalla varoventtiilejä akkukennojen lämpöstabiilisuutta ja väärinkäytön kestävyyttä voidaan parantaa merkittävästi. Lisäksi valmistusprosessin puhtauden ja johdonmukaisuuden valvonta on myös ratkaisevan tärkeää; vieraan aineen kontaminaatio tai elektrodien kohdistusvirhe voi johtaa paikallisiin mikro-oikosulkuihin, mikä voi aiheuttaa turvallisuusriskejä.
Tällä hetkellä litium{0}}ioni-akkukennoteknologia kehittyy kohti korkeampaa energiatiheyttä, parempaa turvallisuutta, alhaisempia kustannuksia ja ympäristöystävällisyyttä. Kiinteän olomuodon elektrolyyttien käytön odotetaan eliminoivan täysin nestemäisiin elektrolyytteihin liittyvät vuoto- ja palamisriskit. koboltti-vapaiden ja vähän-nikkeliä sisältävien elektrodimateriaalien kehittäminen voi vähentää resurssiriippuvuutta ja kustannuksia. ja innovatiiviset valmistustekniikat, kuten kuivaelektrodiprosessit, voivat parantaa tuotannon tehokkuutta ja vähentää energiankulutusta. Energian varastointi- ja tehojärjestelmien ydinyksikkönä litium-ioni-akkukennojen jatkuva innovaatio tarjoaa vankan tuen uusien energiaajoneuvojen, älykkäiden verkkojen ja kannettavien elektronisten laitteiden kehitykselle.
