Принцип работы литий-ионных батарей основан на процессе внедрения и извлечения ионов лития между материалами положительного и отрицательного электродов. В процессе зарядки ионы лития извлекаются из материала положительного электрода и мигрируют к отрицательному электроду через электролит, где материал отрицательного электрода находится в обогащенном ионами лития состоянии. И наоборот, в процессе разрядки ионы лития извлекаются из материала отрицательного электрода и мигрируют обратно к положительному электроду. Емкость батареи в основном определяется количеством обратимо внедренных и извлеченных ионов лития, а параметры работы батареи изменяются в зависимости от условий зарядки и разрядки или в течение цикла. Итак, куда же девается литий?
Литиевые ионы внутри батареи хранятся главным образом в следующих местах:
(1) Активный литий, который перемещается и деинтеркалируется между положительным и отрицательным электродами;
(2) Непригодный для использования литий, который внедрен в слой отрицательного электрода и не может быть удален;
(3) Пленка SEI, образованная на поверхности частиц отрицательного электрода;
(4) Литий осаждается на поверхности покрытия отрицательного электрода;
(5) Литий, сольватированный в электролите;
(6) Фторид лития, образующийся при разложении электролита;
(7) Пленка CEI, образованная на поверхности частиц положительного электрода;
(8) Непригодный для использования литий, который невозможно удалить изнутри материалов положительного электрода.
В процессе работы литий-ионных батарей, а также при различных скоростях заряда и разряда и температурных условиях, распределение лития внутри батареи изменяется. Исследователи из Университета Мюнстера в Германии изучили этот процесс.
В ходе исследования сначала была создана Т-образная конструкция батареи. После того, как батарея прошла циклы зарядки-разрядки или выдержки, её разбирают, и выполняются следующие этапы:
.Положительный и отрицательный электроды сначала очищают диметилкарбонатом (DMC), а затем растворяют в воде с помощью микроволновой реакции. После разбавления очищающего и растворяющего растворов дистиллированной водой содержание лития определяют с помощью метода индуктивно связанной плазмы (ICP).
.Диафрагму пропитывают соляной кислотой, затем раствор разбавляют и анализируют на содержание лития методом ICP.
.Нейлоновая мембрана, используемая в сборке батареи, промывается и разбавляется дистиллированной водой, а затем проверяется на содержание лития методом ICP.
.Другие основные компоненты батареи также проверяются на содержание лития методом ICP после промывки дистиллированной водой.
Кроме того, в качестве контроля исследователи проверили содержание лития в батарее, которая была подвергнута однократному циклированию при скорости 0,1C, предполагая, что на поверхности электрода образовались твердый электролитный интерфейс (SEI) и пленка электролитного интерфейса положительного электрода (CEI). Исходный лист отрицательного электрода не содержит лития, поэтому содержание лития в листе отрицательного электрода контрольной батареи рассматривается как содержание лития, образующего пленку SEI. Содержание лития в листе положительного электрода контрольной батареи за вычетом содержания лития в исходном листе электрода рассматривается как дополнительное содержание лития, образующее пленку CEI. Точность всех результатов испытаний составляет ±7%.
