โครงสร้างและหลักการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ส่วนประกอบหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

(1) แคโทด (อิเล็กโทรดบวก)– วัสดุออกฤทธิ์ส่วนใหญ่ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ลิเธียมแมงกาเนต ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ลิเธียมนิกเกิลออกไซด์ วัสดุไตรภาคนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีส เป็นต้น อลูมิเนียมฟอยล์ที่มีความหนา 10-20 ไมโครเมตร โดยทั่วไปจะใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

(2) ตัวคั่น– เมมเบรนพลาสติกชนิดพิเศษที่ช่วยให้ลิเธียมไอออนผ่านได้ในขณะที่เป็นฉนวนอิเล็กตรอน ปัจจุบันส่วนใหญ่ทำจาก PE, PP หรือวัสดุคอมโพสิต นอกจากนี้ยังมีตัวแยกของแข็งอนินทรีย์ ตัวอย่างเช่น เครื่องแยกที่เคลือบด้วยอลูมินาคือเครื่องแยกของแข็งอนินทรีย์ชนิดหนึ่ง

(3) แอโนด (ขั้วลบ)– วัสดุออกฤทธิ์ส่วนใหญ่ได้แก่ กราไฟท์ ลิเธียมไททาเนต หรือวัสดุคาร์บอนที่มีโครงสร้างคล้ายกราไฟท์ ฟอยล์ทองแดงที่มีความหนา 7-15 ไมโครเมตร มักใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

(4) อิเล็กโทรไลต์– โดยทั่วไปเป็นระบบอินทรีย์ เช่น ตัวทำละลายที่มีคาร์บอเนตละลายด้วยลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต แบตเตอรี่โพลีเมอร์บางชนิดใช้อิเล็กโทรไลต์ชนิดเจล

(5) กล่องใส่แบตเตอรี่– แบ่งออกเป็นกล่องแข็งเป็นหลัก (โครงเหล็ก โครงอะลูมิเนียม โครงเหล็กชุบนิกเกิล ฯลฯ) และโครงแบบอ่อน (ฟิล์มอะลูมิเนียม-พลาสติก)

ในระหว่างการชาร์จ ลิเธียมไอออนจะสลายตัวจากแคโทดและแทรกเข้าไปในขั้วบวก การย้อนกลับเกิดขึ้นระหว่างการคายประจุ อิเล็กโทรดหนึ่งตัวต้องอยู่ในสถานะลิเธียมอินเทอร์คาเลตก่อนการประกอบ โลหะออกไซด์ทรานซิชันอินเทอร์คาเลตลิเธียมที่มีศักยภาพสูงกว่า 3 V เทียบกับลิเธียมและมีความเสถียรในอากาศ โดยทั่วไปจะเลือกใช้เป็นวัสดุแคโทด เช่น LiCoO₂, LiNiO₂ และ LiMn₂O₄

วัสดุแอโนดเป็นสารประกอบลิเธียมที่สามารถวัดได้ซึ่งมีศักยภาพใกล้เคียงกับลิเธียมมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ รวมถึงวัสดุคาร์บอนต่างๆ (กราไฟท์ธรรมชาติ กราไฟท์สังเคราะห์ คาร์บอนไฟเบอร์ มีโซคาร์บอนไมโครบีด ฯลฯ) และออกไซด์ของโลหะ เช่น SnO, SnO₂ และดีบุกคอมโพสิตออกไซด์ SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0.6, y=0.6–0.4, z=(2 + 3x + 5y)/2)

อิเล็กโทรไลต์ใช้ระบบตัวทำละลายผสมของอัลคิลคาร์บอเนต เช่น เอทิลีนคาร์บอเนต (EC), โพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) และไดเอทิลคาร์บอเนตความหนืดต่ำ (DEC) ละลายด้วย LiPF₆

ตัวแยกคือฟิล์มโพลีโอเลฟินพรุนขนาดเล็กของ PE, PP หรือวัสดุผสม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวแยกสามชั้น PP/PE/PP มีจุดหลอมเหลวต่ำและความต้านทานการเจาะทะลุสูง ซึ่งทำหน้าที่เป็นฟิวส์นิรภัยด้านความร้อน

เคสทำจากเหล็กหรืออะลูมิเนียม และชุดฝาครอบมีฟังก์ชันป้องกันการระเบิดและตัดไฟ

หลักการทำงานขั้นพื้นฐาน

เมื่อชาร์จแบตเตอรี่แล้ว ลิเธียมไอออนจะถูกแยกออกจากสารประกอบที่มีลิเธียมในแคโทด และเคลื่อนผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังขั้วบวก วัสดุคาร์บอนของขั้วบวกมีโครงสร้างเป็นชั้นซึ่งมีรูขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งมีลิเธียมไอออนฝังอยู่ ลิเธียมไอออนที่ฝังมากขึ้นหมายถึงความสามารถในการชาร์จที่สูงขึ้น

ในระหว่างการคายประจุ (เมื่อใช้แบตเตอรี่) ลิเธียมไอออนที่ฝังอยู่ในชั้นคาร์บอนของขั้วบวกจะถูกแยกออกและย้ายกลับไปยังแคโทด ลิเธียมไอออนที่ส่งกลับไปยังแคโทดมากขึ้นจะสอดคล้องกับความสามารถในการคายประจุที่สูงขึ้น ความจุของแบตเตอรี่ที่เรามักอ้างถึงคือความสามารถในการคายประจุ

ในระหว่างรอบการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ลิเธียมไอออนจะส่งกลับไปกลับมาระหว่างแคโทดและแอโนด ซึ่งคล้ายคลึงกับเก้าอี้โยก โดยปลายทั้งสองข้างของเก้าอี้เป็นตัวแทนของอิเล็กโทรดทั้งสอง และลิเธียมไอออนจะเคลื่อนที่ซ้ำๆ ระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงมีอีกชื่อหนึ่งว่าแบตเตอรี่สำหรับเก้าอี้โยก

กลไกการคายประจุ

กระบวนการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยสองขั้นตอน: การชาร์จด้วยกระแสคงที่และการชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่โดยกระแสไฟจะค่อยๆ ลดลง

การชาร์จไฟเกินและการคายประจุมากเกินไปทำให้เกิดความเสียหายอย่างถาวรต่อแคโทดและแอโนด การคายประจุมากเกินไปจะทำให้โครงสร้างชั้นของคาร์บอนแอโนดพังทลายลง ป้องกันไม่ให้ลิเธียมไอออนเกิดการสลับระหว่างการชาร์จครั้งต่อไป การชาร์จมากเกินไปจะฝังลิเธียมไอออนส่วนเกินไว้ในโครงสร้างคาร์บอนแอโนด ทำให้ลิเธียมไอออนบางส่วนไม่สามารถแยกออกได้อย่างถาวร

รูปแบบการคายประจุที่เหมาะสมที่สุดเพื่อรักษาประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือการชาร์จแบบตื้นและการคายประจุแบบตื้น โดยทั่วไป อายุการใช้งานของวงจรที่ต่ำกว่าความลึกของการปล่อย (DOD) 60% คือ 2–4 เท่าของอายุการใช้งานที่ต่ำกว่า 100% DOD