A litij{0}}ionska baterijaje punjiva baterija koja koristi dva materijala sposobna reverzibilno umetati i deinterkalirati litijeve ione kao pozitivne i negativne elektrode. Tijekom punjenja, atomi litija u pozitivnoj elektrodi ioniziraju se u litijeve ione i slobodne elektrone.
Ti litijevi ioni zatim migriraju na negativnu elektrodu i spajaju se sa slobodnim elektronima tamo da bi formirali atome litija. Obrnuto, tijekom pražnjenja, atomi litija na negativnoj elektrodi reioniziraju se u litijeve ione i slobodne elektrone, a zatim se rekombiniraju na pozitivnoj elektrodi da ponovno tvore atome litija. Stoga, tijekom cijelog ciklusa punjenja-pražnjenja, litij uvijek postoji u ionskom obliku, a nikada u metalnom litijskom obliku, zbog čega se ova vrsta baterije naziva litij-ionska baterija. Na temelju različitih dizajna, najčešće litij-ionske baterije na tržištu su vrećice, cilindrične ćelije i gumbaste ćelije. Materijal pozitivne elektrode litij-ionskih baterija obično je spoj -bogat litijem, poput LiCoO2, LiFePO4, LiNiO i LiMnzO2. Materijal negativne elektrode litij-ionskih baterija uglavnom se temelji na grafitu. Što se tiče elektrolita, općenito se koriste otopine specifičnih litijevih soli (kao što su LiPF6, LiASF6 i LiCIO4) otopljene u organskim otapalima. Ta organska otapala mogu biti etilen karbonat (EC) ili dietil karbonat (DEC), itd. Kada je baterija u ciklusu punjenja-pražnjenja, litijevi ioni migriraju naprijed-natrag između pozitivne i negativne elektrode. Ovaj proces je slikovito opisan kao "baterija stolice za ljuljanje", kao što je prikazano na donjem dijagramu.
Uzimajući za primjer litij-ionske baterije s litij kobalt oksidom (LiCoO2) kao pozitivnom elektrodom i grafitom kao negativnom elektrodom, njihov elektrokemijski izraz je: (-)CI LiPF(EC+ DEC) / LiCoO2(+).
Reakcija pozitivne elektrode:
Reakcija negativne elektrode: 5.2
Ukupna reakcija: 5.3
U biti, litij-ionska baterija može se promatrati kao uređaj koji radi na temelju razlika u koncentraciji litij-iona. Tijekom punjenja, litijevi ioni se oslobađaju iz materijala pozitivne elektrode, prolaze kroz elektrolit i ugrađuju se u materijal negativne elektrode, čineći negativnu elektrodu-bogatom litijem, dok pozitivnu elektrodu relativno-siromaši litijem. Istovremeno, kako bi se održala ravnoteža naboja cijelog sustava, odgovarajući elektroni se dovode negativnoj elektrodi-na bazi ugljika kroz vanjski krug. Nasuprot tome, tijekom pražnjenja, ioni litija migriraju s negativne elektrode na pozitivnu elektrodu, uzrokujući da pozitivna elektroda postane-bogata litijem. Uobičajeno, tijekom normalnih ciklusa-pražnjenja, litijevi ioni opetovano se ugrađuju i izvlače između slojevitih ugljikovih materijala i oksida. Taj se proces primarno očituje u promjeni međuslojnih razmaka i ne narušava osnovnu kristalnu strukturu materijala. Stoga se, iz perspektive reverzibilnosti reakcije, kemijske promjene unutar litij-ionske baterije smatraju vrlo idealnim reverzibilnim procesom. Litij-ionska baterija sastoji se od četiri osnovne komponente: elektrode, elektrolit, separator i kućište. Elektrode su središnja komponenta litij-ionske baterije, a sastoje se od aktivnih materijala, vodljivih sredstava, veziva i kolektora struje. Aktivni materijali (ili elektrodni materijali) su elektrodni materijali u litij-ionskim baterijama koji oslobađaju električnu energiju kroz elektrokemijske reakcije tijekom punjenja i pražnjenja. Oni određuju elektrokemijsku izvedbu i osnovne karakteristike litij-ionskih baterija. Aktivni materijali uključuju materijale pozitivnih elektroda i materijale negativnih elektroda. Materijali za pozitivne elektrode uglavnom su kompozitni metalni spojevi u prahu s relativno visokim potencijalom (u odnosu na litijeve metalne elektrode), kao što su LiCoO₂, LiMnO₄, LiNi₁-x-Co:MnyO₂, LiCo:Ni-O₂ i LiFePO₂.
Materijali negativnih elektroda uključuju ugljične materijale, materijale od legura i materijale od metalnih oksida. Trenutačno su glavni materijali za pozitivne i negativne elektrode za litij-ionske baterije koji se široko koriste u prijenosnim uređajima LiCoO₂ odnosno grafit. Osim toga, vodljivi agensi (kao što je acetilenska crna) obično se dodaju tijekom izrade elektroda kako bi se poboljšala vodljivost materijala pozitivne i negativne elektrode kako bi se bolje zadovoljile potrebe praktične primjene litij-ionskih baterija. Kako bi se osiguralo da granulirani materijali pozitivne i negativne elektrode i vodljivi agensi čvrsto prianjaju na kolektor struje, obično se dodaje vezivo. Uobičajena veziva klasificiraju se na ulja-i vode-. Veziva-na bazi ulja uglavnom uključuju poliviniliden fluorid (PVDF) i politetrafluoroetilen (PTFE), dok su veziva-na bazi vode uglavnom karboksimetilceluloza/stiren-butadien kaučuk (CMC/SBR). Glavna funkcija kolektora struje je provođenje elektrona iz aktivnog materijala i ravnomjerna raspodjela struje, dok također podržava aktivni materijal. Od kolektora se općenito zahtijeva visoka mehanička čvrstoća, dobra kemijska stabilnost i visoka vodljivost. Odvodnik struje za pozitivnu elektrodu je aluminijska folija, a odvodnik struje za negativnu elektrodu je bakrena folija.
Uloga elektrolita je provođenje iona litija između pozitivne i negativne elektrode. Odabir elektrolita uvelike određuje načelo rada baterije i utječe na njenu specifičnu energiju, sigurnosnu izvedbu, izvedbu ciklusa, izvedbu brzine, izvedbu na niskim-temperaturama i izvedbu skladištenja. Trenutačno komercijalno dostupne litij-ionske baterije uglavnom koriste ne-vodene sustave elektrolita, koji uključuju organska otapala i vodljive litijeve soli. Organsko otapalo glavna je komponenta elektrolita i usko je povezano s njegovom izvedbom; tipično je mješavina organskih otapala kao što su etilen karbonat, propilen karbonat, dimetil karbonat i metil etil karbonat. Vodljiva litijeva sol osigurava litijeve ione koji se prenose između pozitivne i negativne elektrode i sastoji se od anorganskih ili organskih aniona i litijevih iona. Trenutačno glavna komercijalno dostupna vodljiva litijeva sol je LiPF6. U novoj eri, kako bi se poboljšala elektrokemijska učinkovitost litij-ionskih baterija i postigle određene posebne funkcije, elektrolitu se često dodaju funkcionalni aditivi, kao što su usporivači plamena.
U dizajnu litij-ionske baterije separator se nalazi između pozitivne i negativne elektrode, a njegova glavna funkcija je spriječiti izravan kontakt između dviju elektroda, čime se izbjegavaju kratki spojevi. Istovremeno, jedinstvena mikroporozna struktura ovog materijala omogućuje nesmetan prolaz litijevim ionima. Separator igra ključnu ulogu u kapacitetu pohrane baterije, životnom ciklusu i općoj sigurnosti; stoga korištenje visoko{3}}kvalitetnog separatora može značajno poboljšati ukupnu elektrokemijsku izvedbu baterije. Trenutno su najčešće korištene vrste separatora na tržištu filmovi visoke -čvrstoće izrađeni od poliolefina, uključujući porozne proizvode izrađene od polipropilena i polietilena, kao i proizvode proizvedene kopolimerizacijom propilena i etilena ili korištenjem samog polietilenskog homopolimera. Upotreba ne-vodenih otapala u litij-ionskim baterijama dovodi do niže litij-vodljivosti, pa je stoga potrebna velika površina elektrode. Nadalje, upotreba spiralno{11}}namotane strukture tijekom sastavljanja baterije znači da performanse baterije ne ovise samo o samim elektrodama, već i o vezivima koja se koriste u proizvodnji baterija. Ova veziva moraju osigurati ujednačenost i sigurnost aktivnih materijala tijekom izrade elektroda, učinkovito vezati aktivne materijale za kolektor struje, olakšati stvaranje zaštitnog SEI (čvrsti-elektrolit interfaza) filma na grafitnoj anodi, održavati dovoljnu toplinsku stabilnost tijekom sušenja i biti učinkovito nakvašeni elektrolitom.
Vanjsko kućište je spremnik litij-ionske baterije. Uobičajeno korištena kućišta uključuju čelična kućišta, aluminijska kućišta i aluminijska-plastična kompozitna kućišta. Tipično, kućište mora izdržati promjene visokih i niskih temperatura i koroziju od elektrolita.