Згодом літій-іонний акумулятор поступово втрачає свою здатність утримувати заряд. Це відбувається через збитки від тривалого впливу високих температур і великого числа циклів зарядки і розрядки в кінці кінців починає порушуватися процес переміщення іонів літію між електродами.
У звичайній літій-іонної батареї є:
- катод або анод (зроблений з оксидів літію, таких як оксид літію з кобальтом)
- анод або позитивний електрод (як правило, виготовляється з графіту)
Тонкий пористий сепаратор утримує два електроди один від одного для запобігання короткого замикання. І електроліт, виготовлений з органічних розчинників і на основі солей літію, який дозволяє іонів літію переміщатися всередині осередку.
Під час зарядки електричний струм переміщує іони літію від катода до анода. Під час розрядки (іншими словами, при використанні акумулятора), іони рухаються назад до катода. Під час зарядки іони містяться між листами графіту, що входять до складу анода. Довгоживуча батарея витримає кілька тисяч таких циклів зарядки-розрядки.
Енергія і потужність літій-іонних батарей
Причини виходу з ладу літій-іонних батарей
Активна частина катода (джерела іонів літію в батареї) розроблена з певною атомною структурою для забезпечення стабільності і продуктивності. Коли іони переміщаються до анода, а потім повертаються на назад в катод необхідно щоб вони повернулися на колишнє місце, щоб зберегти стабільну кристалічну структуру. Проблема в тому, що кристалічна структура може змінюватися з кожної зарядкою і розрядкою.
Поступово катод перетворюється в нову кристалічну структуру кристала з іншими електрохімічними властивостями. Точне розташування атомів, спочатку що забезпечує необхідну продуктивність, змінюється.
Деградація може відбуватися також і в інших частинах батареї. Кожен електрод з'єднаний з колектором струму, який є по суті шматком металу (зазвичай мідь для анода, алюміній для катода), яка збирає електрони і переміщує їх в зовнішній ланцюг. Згодом метал роз'їдається і не може ефективно переміщати електрони.
Корозія в батареї може виникнути в результаті взаємодії електроліту і електродів. Графітовий анод є «легкоотдающім», тобто він легко «віддає» електрони в електроліт. Це може привести до появи небажаного покриття на поверхні графіту. Катод, між тим, дуже «окислюється», що означає, що він легко приймає електрони від електроліту, що в деяких випадках може роз'їдати алюміній колектора струму або формувати покриття на частинах катода.
Графіт - матеріал, широко використовуваний для виготовлення анодів - термодинамічно нестійкий в органічних електролітах. Це означає, що з самої першої зарядки нашої батареї, графіт реагує з електролітом. Це створює пористий шар (званий твердим сольовим інтерфейсом або ТЕІ), що в підсумку захищає анод від подальших атак. Ця реакція також споживає невелику кількість літію. ТЕІ є вельми нестабільним захисником. Він добре захищає графіт при кімнатній температурі, але при високих температурах або коли заряд батареї знижується до нуля ( «глибокий розряд»), ТЕІ може частково розчинятися в електроліті. При високих температурах, електроліти також мають тенденцію розкладатися і побічні реакції прискорюються. Коли сприятливі умови повернуться, сформується другий захисний шар, але це з'їсть частину літію. Якщо захисний шар дуже потовщується, він стає бар'єром для іонів літію, від яких вимагається вільно переміщатися вперед-назад. Це негативно впливає на потужність
Удосконалення літій-іонних батарей
Так що ж можна зробити, щоб продовжити життя наших батарей? Дослідники в лабораторіях займаються пошуком електролітичних добавок, які б дозволять батареї працювати краще і прожити довше за рахунок зменшення шкідливих реакцій між електродами і електролітом. Крім того, вони шукають нові, більш стабільні кристалічні структури для електродів, а також більш стабільні сполучні матеріали і електроліти.
Тим часом, інженери в компаніях, які виробляють батареї і електричні автомобілі, працюють над корпусами і термальними системами управління в спробі зберігати літій-іонні акумулятори в постійному, здоровому діапазоні температур. Споживачам, залишається уникати екстремальних температур і глибокої розрядки.