Kao najosnovnija jedinica za pohranu i oslobađanje energije u tehnološkom sustavu litij-ionske baterije, litij-ionska baterijska ćelija je temeljni element koji određuje performanse, životni vijek i sigurnost baterije. U suštini, postiže učinkovitu pretvorbu kemijske energije u električnu energiju reverzibilnim umetanjem i izdvajanjem litijevih iona između pozitivne i negativne elektrode, igrajući nezamjenjivu ulogu u modernom novom energetskom polju. Duboko razumijevanje strukture, principa i karakteristika litij-ionskih baterijskih ćelija ključno je za shvaćanje razvojne putanje tehnologije baterija i optimiziranje aplikacijskih rješenja.
Strukturno, tipična ćelija litij-ionske baterije uglavnom se sastoji od pet dijelova: pozitivne elektrode, negativne elektrode, elektrolita, separatora i kućišta. Materijal pozitivne elektrode obično koristi slojevite okside (kao što su litij nikal kobalt mangan oksid i litij nikal kobalt aluminijev oksid), olivin fosfate (kao što je litij željezo fosfat) ili spinel-tip litij manganov oksid, odgovoran za otpuštanje litijevih iona tijekom punjenja. Negativna elektroda uglavnom se sastoji od grafita, a neke visoko-ćelije koriste kompozitne materijale-na bazi silicija za povećanje kapaciteta; njegova funkcija je primanje i skladištenje iona litija tijekom punjenja. Elektrolit je obično mješavina organskih karbonatnih otapala i litijevih soli (kao što je litijev heksafluorofosfat), koji služi kao medij za provodljivost iona. Separator je izolacijski materijal s mikroporoznom strukturom, dizajniran da spriječi izravan kontakt između pozitivne i negativne elektrode, čime se sprječavaju kratki spojevi, dok omogućuje slobodan prolaz litijevih iona. Vanjsko kućište pruža mehaničku zaštitu i zatvoreno okruženje, obično u obliku aluminijske-plastične folije (mekano pakiranje), čeličnih ili aluminijskih kućišta.
Princip rada litij-ionske baterije temelji se na elektrokemijskoj redoks reakciji. Tijekom punjenja, pod utjecajem primijenjenog električnog polja, litijevi ioni se oslobađaju iz rešetke pozitivne elektrode, prolaze kroz elektrolit i separator i ugrađuju se između slojeva materijala negativne elektrode. Elektroni teku prema negativnoj elektrodi kroz vanjski krug, pretvarajući električnu energiju u kemijsku. Proces pražnjenja je obrnut: litijevi ioni se oslobađaju s negativne elektrode i vraćaju na pozitivnu elektrodu, dok elektroni obavljaju rad kroz vanjski krug, dajući električnu energiju potrošaču. Ovaj reakcijski mehanizam "stolice za ljuljanje" daje litijevim baterijama njihove prednosti visoke gustoće energije i dugog vijeka trajanja, dok također nameće stroge zahtjeve za stabilnost materijala, kompatibilnost međupovršina i preciznost proizvodnje.
Karakteristike performansi baterije izravno određuju scenarije njezine primjene. Što se tiče gustoće energije, visoko{1}}nikl ternarne litij-ionske ćelije mogu doseći 250-300Wh/kg, što je prikladno za električna vozila s velikim zahtjevima za dometom; litij željezo fosfatne ćelije imaju nešto nižu gustoću energije (otprilike 150-200Wh/kg), ali posjeduju izvrsnu stabilnost i sigurnost ciklusa visoke-temperature te se naširoko koriste u skladištu energije i gospodarskim vozilima. Performanse brzine odražavaju visoku-mogućnost punjenja i pražnjenja ćelije. Karakteristike brzine mogu se poboljšati pomoću nano{13}}dimenzioniranja materijala, optimizacije vodljivog sredstva i strukturnog dizajna kako bi se zadovoljili zahtjevi brzog punjenja i izlazne snage velike snage. Vijek trajanja ciklusa usko je povezan sa strukturnom stabilnošću materijala elektrode, ujednačenošću SEI filma (film sučelja čvrstog elektrolita) i otpornošću elektrolita na oksidaciju. Visokokvalitetne ćelije mogu postići više od 2000 dubokih ciklusa na sobnoj temperaturi.
Sigurnost je najvažnija u dizajnu ćelija. Toplinski bijeg glavni je rizik koji proizlazi iz lanca egzotermnih reakcija uzrokovanih prekomjernim punjenjem, kratkim spojevima, visokim temperaturama ili prekomjernim-pražnjenjem. Modificiranjem materijala (kao što je presvlaka pozitivne elektrode i pre-litijacija negativne elektrode), nanošenjem keramičkih premaza na separator, upotrebom aditiva za-usporavanje plamena u elektrolitu i projektiranjem sigurnosnih ventila, toplinska stabilnost i otpornost na zlouporabu baterijskih ćelija mogu se značajno poboljšati. Nadalje, kontrola čistoće i dosljednosti proizvodnog procesa također je ključna; kontaminacija stranih tijela ili neusklađenost elektroda može dovesti do lokaliziranih mikro-kratkih spojeva, stvarajući potencijalne sigurnosne opasnosti.
Trenutačno se tehnologija ćelija litij-ionskih baterija razvija prema većoj gustoći energije, većoj sigurnosti, nižoj cijeni i prihvatljivosti za okoliš. Očekuje se da će primjena-elektrolita u čvrstom stanju u potpunosti eliminirati rizike curenja i izgaranja povezane s tekućim elektrolitima; razvoj materijala pozitivnih elektroda bez{3}}kobalta i s niskim-niklom može smanjiti ovisnost o resursima i troškove; a inovativne tehnologije proizvodnje kao što su procesi suhe elektrode mogu poboljšati učinkovitost proizvodnje i smanjiti potrošnju energije. Kao temeljna jedinica sustava za pohranu energije i napajanja, kontinuirane inovacije u litij-ionskim baterijskim ćelijama pružit će čvrstu potporu brzom razvoju novih energetskih vozila, pametnih mreža i prijenosnih elektroničkih uređaja.
