Som den mest grundlæggende energilagrings- og frigivelsesenhed i lithium-ionbatteriteknologisystemet er lithium-ionbattericellen det grundlæggende element, der bestemmer batteripakkens ydeevne, levetid og sikkerhed. I det væsentlige opnår den effektiv omdannelse af kemisk energi til elektrisk energi gennem reversibel indsættelse og ekstraktion af lithiumioner mellem de positive og negative elektroder, hvilket spiller en uerstattelig rolle i det moderne nye energiområde. En dyb forståelse af strukturen, principperne og karakteristikaene af lithium-ionbattericeller er afgørende for at optimere applikationsteknologien for at forstå batteriteknologien.
Strukturelt består en typisk lithium-ionbattericelle hovedsageligt af fem dele: den positive elektrode, den negative elektrode, elektrolytten, separatoren og huset. Det positive elektrodemateriale bruger typisk lagdelte oxider (såsom lithium-nikkel-cobolt-manganoxid og lithium-nikkel-cobalt-aluminiumoxid), olivinphosphater (såsom lithiumjernphosphat) eller lithiummanganoxid af spinel-typen, der er ansvarlig for frigivelse af lithium. Den negative elektrode er hovedsageligt sammensat af grafit, med nogle høje-celler, der bruger silicium-baserede kompositmaterialer for at øge kapaciteten; dens funktion er at modtage og opbevare lithium-ioner under opladning. Elektrolytten er typisk en blanding af organiske carbonatopløsningsmidler og lithiumsalte (såsom lithiumhexafluorphosphat), der tjener som medium til ionledning. Separatoren er et isolerende materiale med en mikroporøs struktur, designet til at forhindre direkte kontakt mellem de positive og negative elektroder og dermed forhindre kortslutninger, samtidig med at lithium-ioner kan passere frit. Det ydre hus giver mekanisk beskyttelse og et forseglet miljø, almindeligvis i form af aluminium-plastikfilm (blød pakning), stål- eller aluminiumshylstre.
Arbejdsprincippet for en lithium-ionbattericelle er baseret på en elektrokemisk redoxreaktion. Under opladning, under påvirkning af et påført elektrisk felt, frigives lithiumioner fra det positive elektrodegitter, passerer gennem elektrolytten og separatoren og indlejrer sig mellem lagene af det negative elektrodemateriale. Elektroner strømmer til den negative elektrode gennem det eksterne kredsløb og omdanner elektrisk energi til kemisk energi. Udladningsprocessen er omvendt: lithiumioner frigives fra den negative elektrode og vender tilbage til den positive elektrode, mens elektroner udfører arbejde gennem det eksterne kredsløb, der giver elektrisk energi til belastningen. Denne "gyngestol"-reaktionsmekanisme giver lithium-batterier deres fordele ved høj energitæthed og lang levetid, samtidig med at den stiller strenge krav til materialestabilitet, grænsefladekompatibilitet og fremstillingspræcision.
Battericellens ydelsesegenskaber bestemmer direkte dens anvendelsesscenarier. Med hensyn til energitæthed kan høje-nikkel-ternære lithium-ionceller nå op på 250-300Wh/kg, velegnet til elektriske køretøjer med høje rækkeviddekrav; lithiumjernfosfatceller har en lidt lavere energitæthed (ca. 150-200Wh/kg), men besidder fremragende høj-temperaturcyklusstabilitet og -sikkerhed og er meget udbredt i energilagring og erhvervskøretøjer. Hastighedsydelse afspejler cellens{10} høje nuværende opladnings- og afladningskapacitet. Hastighedskarakteristika kan forbedres gennem materialets nano-størrelse, optimering af ledende midler og strukturelt design for at opfylde kravene til hurtig opladning og høj effekt. Cykluslevetid er tæt forbundet med den strukturelle stabilitet af elektrodematerialer, ensartetheden af SEI-filmen (fast elektrolytgrænsefladefilm) og elektrolyttens oxidationsmodstand. Højkvalitetsceller kan opnå mere end 2000 dybe cyklusser ved stuetemperatur.
Sikkerhed er altafgørende i celledesign. Termisk løbsk er den største risiko, der stammer fra en kæde af eksoterme reaktioner forårsaget af overopladning, kortslutninger, høje temperaturer eller over-afladning. Ved at modificere materialer (såsom positiv elektrodebelægning og negativ elektrode-for-lithiering), påføre keramiske belægninger på separatoren, bruge flammehæmmende tilsætningsstoffer i elektrolytten og designe sikkerhedsventiler, kan battericellernes termiske stabilitet og modstand mod misbrug forbedres væsentligt. Desuden er renligheden og konsistenskontrollen af fremstillingsprocessen også afgørende; kontaminering af fremmedlegemer eller forkert justering af elektrodejustering kan føre til lokaliserede mikro-kortslutninger, hvilket skaber potentielle sikkerhedsrisici.
I øjeblikket udvikler lithium-ion battericelleteknologi sig mod højere energitæthed, højere sikkerhed, lavere omkostninger og miljøvenlighed. Anvendelsen af faste-elektrolytter forventes fuldstændig at eliminere risikoen for lækage og forbrænding forbundet med flydende elektrolytter; udviklingen af kobolt-fri og lav-nikkelpositive elektrodematerialer kan reducere ressourceafhængighed og omkostninger; og innovative produktionsteknologier såsom tørelektrodeprocesser kan forbedre produktionseffektiviteten og reducere energiforbruget. Som kerneenheden for energilagring og strømsystemer vil kontinuerlig innovation i lithium-ion-battericeller give solid støtte til den springende udvikling af nye energikøretøjer, smarte net og bærbare elektroniske enheder.
