Litija-jonu akumulatora elementi, kas ir vissvarīgākā enerģijas uzkrāšanas un atbrīvošanas vienība litija{0}}jonu akumulatoru tehnoloģiju sistēmā, ir galvenais elements, kas nosaka akumulatora veiktspēju, kalpošanas laiku un drošību. Būtībā tas nodrošina efektīvu ķīmiskās enerģijas pārvēršanu elektriskajā enerģijā, atgriezeniski ievietojot un ekstrahējot litija jonus starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem, spēlējot neaizstājamu lomu mūsdienu jaunajā enerģijas laukā. Lai izprastu akumulatoru tehnoloģiju attīstības trajektoriju un optimizētu akumulatoru risinājumu pielietojumu, ļoti svarīga ir litija -jonu akumulatora elementu struktūras, principu un īpašību dziļa izpratne.
Strukturāli tipisks litija{0}}jonu akumulatora elements galvenokārt sastāv no piecām daļām: pozitīvā elektroda, negatīvā elektroda, elektrolīta, separatora un korpusa. Pozitīvā elektroda materiālā parasti tiek izmantoti slāņveida oksīdi (piemēram, litija niķeļa kobalta mangāna oksīds un litija niķeļa kobalta alumīnija oksīds), olivīna fosfāti (piemēram, litija dzelzs fosfāts) vai spineļa -tipa litija mangāna oksīds, kas ir atbildīgs par litija ogļu joniem. Negatīvo elektrodu galvenokārt veido grafīts, un dažās augstākās klases šūnās tiek izmantoti silīcija{5} kompozītmateriāli, lai palielinātu jaudu; tā funkcija ir uzņemt un uzglabāt litija jonus uzlādes laikā. Elektrolīts parasti ir organisko karbonātu šķīdinātāju un litija sāļu (piemēram, litija heksafluorfosfāta) maisījums, kas kalpo par jonu vadīšanas līdzekli. Atdalītājs ir izolācijas materiāls ar mikroporainu struktūru, kas paredzēts, lai novērstu tiešu kontaktu starp pozitīvo un negatīvo elektrodu, tādējādi novēršot īssavienojumus, vienlaikus ļaujot litija joniem brīvi iziet cauri. Ārējais apvalks nodrošina mehānisku aizsardzību un hermētisku vidi, parasti alumīnija -plastmasas plēves (mīksta iepakojuma), tērauda vai alumīnija apvalka veidā.
Litija{0}}jonu akumulatora elementa darbības princips ir balstīts uz elektroķīmisko redoksreakciju. Uzlādes laikā pielietota elektriskā lauka ietekmē litija joni tiek atbrīvoti no pozitīvā elektroda režģa, iziet cauri elektrolītam un separatoram un iegulst starp negatīvā elektroda materiāla slāņiem. Elektroni caur ārējo ķēdi plūst uz negatīvo elektrodu, pārvēršot elektrisko enerģiju ķīmiskajā enerģijā. Izlādes process ir pretējs: litija joni tiek atbrīvoti no negatīvā elektroda un atgriežas pozitīvajā elektrodā, savukārt elektroni veic darbu caur ārējo ķēdi, nodrošinot slodzei elektrisko enerģiju. Šis "šūpuļkrēsla" reakcijas mehānisms nodrošina litija akumulatoriem priekšrocības, proti, augstu enerģijas blīvumu un ilgu cikla kalpošanas laiku, vienlaikus uzliekot stingras prasības materiāla stabilitātei, saskarnes savietojamībai un ražošanas precizitātei.
Akumulatora elementa veiktspējas raksturlielumi tieši nosaka tā pielietojuma scenārijus. Enerģijas blīvuma ziņā augstas -niķeļa trīskāršā litija-jonu elementi var sasniegt 250-300 Wh/kg, kas ir piemēroti elektriskajiem transportlīdzekļiem ar augstām diapazona prasībām; litija dzelzs fosfāta elementiem ir nedaudz mazāks enerģijas blīvums (aptuveni 150{7}}200 Wh/kg), taču tiem ir lieliska augstas-temperatūras cikla stabilitāte un drošība, un tās plaši izmanto enerģijas glabāšanā un komerciālajos transportlīdzekļos. Ātruma veiktspēja atspoguļo šūnas lielo{10}}strāvas uzlādes un izlādes spēju. Ātruma raksturlielumus var uzlabot, izmantojot materiāla nano{13}izmēru, vadošo aģentu optimizāciju un konstrukcijas dizainu, kas atbilst ātras uzlādes un lielas jaudas izvades prasībām. Cikla kalpošanas laiks ir cieši saistīts ar elektrodu materiālu strukturālo stabilitāti, SEI plēves (cietās elektrolīta saskarnes plēves) viendabīgumu un elektrolīta oksidācijas pretestību. Augstas kvalitātes šūnas var sasniegt vairāk nekā 2000 dziļus ciklus istabas temperatūrā.
Šūnu projektēšanā drošība ir vissvarīgākā. Termiskā bēgšana ir galvenais risks, ko izraisa eksotermisku reakciju ķēde, ko izraisa pārlādēšana, īssavienojumi, augsta temperatūra vai pārmērīga{1}}izlāde. Pārveidojot materiālus (piemēram, pozitīvā elektroda pārklājumu un negatīvo elektrodu iepriekšēju-litifikāciju), uzklājot keramisku pārklājumu separatoram, izmantojot elektrolīta liesmu- slāpējošas piedevas un projektējot drošības vārstus, var ievērojami uzlabot akumulatora elementu termisko stabilitāti un izturību pret ļaunprātīgu izmantošanu. Turklāt izšķiroša nozīme ir arī ražošanas procesa tīrības un konsekvences kontrolei; svešķermeņu piesārņojums vai nepareiza elektrodu izlīdzināšana var izraisīt lokālus mikro{6}}īssavienojumus, radot potenciālus drošības apdraudējumus.
Pašlaik litija{0}}jonu akumulatoru šūnu tehnoloģija attīstās, lai panāktu lielāku enerģijas blīvumu, augstāku drošību, zemākas izmaksas un videi draudzīgumu. Paredzams, ka cietvielu elektrolītu izmantošana pilnībā novērsīs noplūdes un sadegšanas riskus, kas saistīti ar šķidriem elektrolītiem; kobaltu-bezošu un zemu-niķeļa pozitīvo elektrodu materiālu izstrāde var samazināt atkarību no resursiem un izmaksas; un novatoriskas ražošanas tehnoloģijas, piemēram, sauso elektrodu procesi, var uzlabot ražošanas efektivitāti un samazināt enerģijas patēriņu. Litija{6}}jonu akumulatoru elementu, kas ir enerģijas uzglabāšanas un barošanas sistēmu pamatvienība, nepārtrauktas inovācijas nodrošinās stabilu atbalstu jaunu enerģijas transportlīdzekļu, viedo tīklu un pārnēsājamu elektronisko ierīču izstrādē.
