Principis de funcionament de les bateries de liti: procés de càrrega, procés de descàrrega i placa de coberta de la bateria

En el camp de l'emmagatzematge d'energia modern, les bateries de liti, com a bateria secundària altament eficient, s'han utilitzat àmpliament en equips electrònics, vehicles elèctrics, sistemes d'emmagatzematge d'energia solar i altres camps. El principi de funcionament de les bateries de liti es basa en la migració d'ions de liti entre els elèctrodes positius i negatius per emmagatzemar i alliberar càrrega. Aquest article analitzarà sistemàticament l'estructura bàsica, el procés de càrrega i descàrrega i els components estructurals clau de les bateries de liti. L'annex de la bateria de liti prismàtica és una part important de les bateries de liti prismàtica, i el seu disseny i qualitat de fabricació estan directament relacionats amb el segellat i la seguretat de la bateria.

Les bateries de liti consten de quatre components bàsics: l'elèctrode positiu (càtode), l'elèctrode negatiu (ànode), l'electròlit i el separador. El càtode normalment empra materials d'òxid-que contenen liti-com ara òxid de cobalt de liti, òxid de manganès de liti o fosfat de ferro de liti-capaços d'intercalar i de{4}}intercalar reversiblement els ions de liti. L'ànode generalment utilitza materials basats en carboni-(com el grafit) o ​​metall de liti, que poden absorbir i alliberar ions de liti. L'electròlit serveix com a ió-medi conductor-líquid o sòlid-facilitant la conducció iònica mentre aïlla elèctricament el càtode i l'ànode per evitar el flux d'electrons entre ells. El separador és un material aïllant porós situat entre els elèctrodes; evita el contacte directe (i, per tant, els curtcircuits) alhora que permet que els ions de liti migrin pels seus porus.

Dins de l'estructura d'embalatge de la bateria, la tapa superior d'una pila prismàtica realitza múltiples funcions, com ara el segellat, l'aïllament i l'alleujament de la pressió. La tapa està soldada per làser-a la carcassa de la bateria per crear un segell hermètic, evitant les fuites d'electròlits i bloquejant l'entrada d'humitat i oxigen externs. Normalment, integrant funcions clau com ara el terminal positiu, el port d'ompliment d'electròlits i la vàlvula d'alleujament de pressió de seguretat, la tapa superior és un component crític per garantir la integritat i la seguretat de la bateria.

Durant el procés de càrrega, es produeixen reaccions electroquímiques als elèctrodes positius i negatius de la bateria de liti. Quan s'aplica una tensió externa, s'extreuen ions de liti (Li⁺) de la xarxa cristal·lina del material de l'elèctrode positiu, alliberant electrons. Aquests ions de liti migren a través de l'electròlit i el separador cap a l'elèctrode negatiu, mentre que els electrons flueixen de l'elèctrode positiu al negatiu a través del circuit extern, creant un corrent de càrrega. A l'elèctrode negatiu, els ions de liti s'intercalen a l'estructura en capes del material de carboni, es combinen amb electrons i s'emmagatzemen dins del material en estat atòmic. Aquest procés continua fins que tots els ions de liti extraïbles han migrat de l'elèctrode positiu al negatiu o la bateria arriba al seu voltatge de terminació de càrrega.

A mesura que avança la càrrega, la diferència de potencial entre la bateria augmenta i l'energia química emmagatzemada augmenta. Per garantir la seguretat, les bateries de liti utilitzen circuits de gestió de càrrega dedicats per regular el corrent i la tensió, evitant problemes com el col·lapse estructural de l'elèctrode positiu, la descomposició d'electròlits o el revestiment de metall de liti causat per la sobrecàrrega. Un cop muntades les cèl·lules de la bateria en un paquet, la coberta de la caixa de la bateria d'alumini proporciona protecció estructural i interfícies de gestió tèrmica, assegurant la integritat estructural del mòdul i la dissipació efectiva de la calor durant la càrrega.

Quan la bateria de liti es descarrega, la reacció continua en sentit invers. Els ions de liti emmagatzemats a l'elèctrode negatiu s'intercalen de les capes de material de carboni i migren de nou a l'elèctrode positiu a través de l'electròlit i el separador. Simultàniament, els electrons flueixen de l'elèctrode negatiu al positiu a través del circuit extern, subministrant energia elèctrica a la càrrega externa. A l'elèctrode positiu, els ions de liti es re-intercalen a la xarxa cristal·lina del material de l'elèctrode i es combinen amb electrons per formar compostos de liti estables. Aquest procés continua fins que la diferència de potencial entre els elèctrodes cau a la tensió de terminació de la descàrrega o la concentració d'ions de liti dins de la bateria arriba a l'equilibri.

La migració repetida d'ions de liti entre els elèctrodes positius i negatius durant els cicles de càrrega-descàrrega es coneix com el mecanisme de la "cadira-balanceig", motiu pel qual les bateries de liti sovint s'anomenen "bateries de-cadira de balanceig". Aquest mecanisme de funcionament requereix que els materials d'elèctrode tinguin una excel·lent estabilitat estructural i conductivitat iònica per mantenir una gran capacitat de retenció durant centenars o milers de cicles. En l'embalatge de bateries, les plaques de coberta de la bateria de ions de liti-utilitzen tractaments d'estampació i aïllament d'alta-precisió per garantir l'aïllament elèctric i el segellat entre els terminals positius i negatius i la carcassa de la bateria, evitant així curtcircuits interns i fuites externes.