Het werkingsprincipe van lithium-ionbatterijen is gebaseerd op het in- en uitstappen van lithiumionen tussen de positieve en negatieve elektrodematerialen. Tijdens het laden worden lithiumionen uit het positieve elektrodemateriaal gehaald en migreren ze via de elektrolytoplossing naar de negatieve elektrode, waar het negatieve elektrodemateriaal een lithiumionenrijke concentratie heeft. Omgekeerd worden tijdens het ontladen lithiumionen uit het negatieve elektrodemateriaal gehaald en migreren ze terug naar de positieve elektrode. De capaciteit van de batterij wordt voornamelijk bepaald door het aantal lithiumionen dat reversibel wordt in- en uitgezet. De prestatieparameters van de batterij veranderen onder verschillende laad- en ontlaadomstandigheden of gedurende de cyclus. Dus, waar gaat het lithium naartoe?
Lithiumionen in de batterij worden hoofdzakelijk op de volgende plaatsen opgeslagen:
(1) Actief lithium dat beweegt en de-intercaleert tussen de positieve en negatieve elektroden;
(2) Onbruikbaar lithium dat is ingebed in de negatieve elektrodelaag en niet kan worden verwijderd;
(3) SEI-film gevormd op het oppervlak van de negatieve elektrode-deeltjes;
(4) Lithium neergeslagen op het oppervlak van de coating van de negatieve elektrode;
(5) Lithium opgelost in het elektrolyt;
(6) Lithiumfluoride gevormd door ontleding van elektrolyt;
(7) CEI-film gevormd op het oppervlak van de positieve elektrode-deeltjes;
(8) Onbruikbaar lithium dat niet uit de binnenkant van positieve elektrodematerialen kan worden verwijderd.
Tijdens de cyclus van lithium-ionbatterijen, ofwel onder verschillende laad- en ontlaadsnelheden en temperatuursomstandigheden, verandert de verdeling van lithium in de batterij. Onderzoekers van de Universiteit van Münster in Duitsland hebben dit bestudeerd.
Tijdens het onderzoek werd eerst een T-vormige batterijstructuur geconstrueerd. Nadat de batterij is opgeladen en ontladen of verouderd, wordt deze gedemonteerd en worden de volgende stappen uitgevoerd:
.De positieve en negatieve elektroden worden eerst gereinigd met DMC en vervolgens opgelost in water door middel van een microgolfreactie. Nadat de reinigingsoplossing en de oplosoplossing zijn verdund met gedestilleerd water, wordt het lithiumgehalte bepaald met behulp van ICP-technologie.
.Het membraan wordt geweekt in zoutzuur, waarna de weekoplossing wordt verdund en vervolgens getest op lithiumgehalte volgens de ICP-methode.
.Het nylonmembraan dat bij de assemblage van de batterij wordt gebruikt, wordt gewassen en verdund met gedestilleerd water en vervolgens getest op ICP-lithiumgehalte.
.De overige hoofdbestanddelen van de batterij worden na te zijn gewassen met gedestilleerd water ook getest op ICP-lithiumgehalte.
Daarnaast testten de onderzoekers, als controle, het lithiumgehalte van de batterij die eenmaal was ontladen met een snelheid van 0,1C. Hierbij werd aangenomen dat er een vaste elektrolyt-interface (SEI) en een positieve elektrode-elektrolyt-interface (CEI) film op het elektrodeoppervlak waren gevormd. De oorspronkelijke negatieve elektrode bevat geen lithium, dus het lithiumgehalte van de negatieve elektrode van de controlebatterij wordt beschouwd als het lithiumgehalte dat de SEI-film vormt. Het lithiumgehalte van de positieve elektrode van de controlebatterij min het lithiumgehalte van de oorspronkelijke elektrode wordt beschouwd als het extra lithiumgehalte dat de CEI-film vormt. De nauwkeurigheid van alle testresultaten is ±7%.
