A bateria de ions de liti{0}és una bateria recarregable que utilitza dos materials capaços d'inserir i desintercalar de manera reversible ions de liti com a elèctrodes positius i negatius, respectivament. Durant la càrrega, els àtoms de liti de l'elèctrode positiu s'ionitzen en ions de liti i electrons lliures.
Aquests ions de liti migren a l'elèctrode negatiu i es combinen amb els electrons lliures que hi ha per formar àtoms de liti. Per contra, durant la descàrrega, els àtoms de liti de l'elèctrode negatiu es reionitzen en ions de liti i electrons lliures, i després es recombinen a l'elèctrode positiu per tornar a formar àtoms de liti. Per tant, durant tot el cicle de càrrega-descàrrega, el liti sempre existeix en forma iònica i mai en forma de liti metàl·lic, per això aquest tipus de bateria s'anomena bateria d'ions de liti-. D'acord amb diferents dissenys, les bateries d'ions de liti-més comunes al mercat són les de bossa, les cilíndriques i les de botó. El material de l'elèctrode positiu de les bateries d'ions de liti-sol ser un compost-ric en liti, com ara LiCoO2, LiFePO4, LiNiO i LiMnzO2. El material de l'elèctrode negatiu de les bateries d'ions de liti-es basa principalment en grafit. Pel que fa a l'electròlit, generalment s'utilitzen solucions de sals de liti específiques (com LiPF6, LiASF6 i LiCIO4) dissoltes en dissolvents orgànics. Aquests dissolvents orgànics poden ser carbonat d'etilè (EC) o carbonat de dietil (DEC), etc. Quan la bateria està en un cicle de càrrega-descàrrega, els ions de liti migren d'anada i tornada entre els elèctrodes positius i negatius. Aquest procés es descriu en sentit figurat com una "bateria de cadira de balancí", tal com es mostra al diagrama següent.
Prenent com a exemple bateries d'ions de liti- amb òxid de cobalt de liti (LiCoO2) com a elèctrode positiu i grafit com a elèctrode negatiu, la seva expressió electroquímica és: (-)CI LiPF(EC+ DEC) / LiCoO2(+).
Reacció positiva de l'elèctrode:
Reacció negativa de l'elèctrode: 5.2
Reacció global:5.3
En essència, una bateria d'ions de liti-es pot veure com un dispositiu que funciona en funció de les diferències de concentració d'ions de liti-. Durant la càrrega, els ions de liti s'alliberen del material de l'elèctrode positiu, passen a través de l'electròlit i s'incorporen al material de l'elèctrode negatiu, fent que l'elèctrode negatiu sigui ric en liti-, mentre que l'elèctrode positiu sigui relativament pobre en liti-. Simultàniament, per mantenir l'equilibri de càrrega de tot el sistema, es subministren els electrons corresponents a l'elèctrode negatiu basat en carboni-a través d'un circuit extern. Per contra, durant la descàrrega, els ions de liti migren de l'elèctrode negatiu a l'elèctrode positiu, fent que l'elèctrode positiu es torni ric en liti-. Normalment, durant els cicles de càrrega-normals de descàrrega, els ions de liti s'incorporen i s'extreuen repetidament entre els materials i els òxids de carboni en capes. Aquest procés es manifesta principalment com a canvis en l'espai entre les capes i no altera l'estructura bàsica de cristall dels materials. Per tant, des de la perspectiva de la reversibilitat de la reacció, els canvis químics dins d'una bateria d'ions de liti-es consideren un procés reversible molt ideal. Una bateria d'ions de liti-comprèn quatre components bàsics: elèctrodes, electròlit, separador i carcassa. Els elèctrodes són el component bàsic d'una bateria d'ions de liti-, format per materials actius, agents conductors, aglutinants i col·lectors de corrent. Els materials actius (o materials d'elèctrode) són els materials d'elèctrode de les bateries d'ions de liti-que alliberen energia elèctrica mitjançant reaccions electroquímiques durant la càrrega i la descàrrega. Determinen el rendiment electroquímic i les característiques bàsiques de les bateries-d'ions de liti. Els materials actius inclouen materials d'elèctrodes positius i materials d'elèctrodes negatius. Els materials d'elèctrodes positius són principalment compostos metàl·lics compostos en pols amb potencials relativament alts (en relació amb els elèctrodes de metall de liti), com ara LiCoO₂, LiMnO₄, LiNi₁-x-Co:MnyO₂, LiCo:Ni{-O₂ i LiCo:Ni{-O₂₂ i LiFePO₂.
Els materials d'elèctrodes negatius inclouen materials de carboni, materials d'aliatge i materials d'òxid metàl·lic. Actualment, els principals materials d'elèctrodes positius i negatius per a bateries d'ions de liti-àmpliament utilitzats en dispositius portàtils són LiCoO₂ i grafit, respectivament. A més, els agents conductors (com ara el negre d'acetilè) s'afegeixen generalment durant la fabricació d'elèctrodes per millorar la conductivitat dels materials dels elèctrodes positius i negatius per satisfer millor les necessitats d'aplicació pràctica de les bateries d'ions de liti-. Per garantir que els materials granulars de l'elèctrode positiu i negatiu i els agents conductors s'adhereixin fermament al col·lector de corrent, normalment s'afegeix un aglutinant. Els aglutinants comuns es classifiquen en oli-i aigua-. Els aglutinants basats en petroli inclouen principalment fluorur de polivinilidè (PVDF) i politetrafluoroetilè (PTFE), mentre que els aglutinants basats en aigua són principalment carboximetil cel·lulosa/estirè-butadiè (CMC/SBR). La funció principal del col·lector de corrent és conduir els electrons del material actiu i distribuir el corrent de manera uniforme, alhora que suporta el material actiu. Els col·lectors de corrent generalment requereixen una alta resistència mecànica, una bona estabilitat química i una alta conductivitat. El col·lector de corrent per a l'elèctrode positiu és paper d'alumini i el col·lector de corrent per a l'elèctrode negatiu és paper de coure.
El paper de l'electròlit és conduir ions de liti entre els elèctrodes positius i negatius. L'elecció de l'electròlit determina en gran mesura el principi de funcionament de la bateria i afecta la seva energia específica, el rendiment de seguretat, el rendiment del cicle, el rendiment de la velocitat, el rendiment a baixa-temperatura i el rendiment d'emmagatzematge. Actualment, les bateries d'ions de liti-disponibles comercialment utilitzen principalment sistemes d'electròlits no-aquosos, que inclouen dissolvents orgànics i sals de liti conductores. El dissolvent orgànic és el component principal de l'electròlit i està estretament relacionat amb el seu rendiment; normalment és una barreja de dissolvents orgànics com el carbonat d'etilè, el carbonat de propilè, el carbonat de dimetil i el carbonat de metil etil. La sal de liti conductora proporciona els ions de liti que es transporten entre els elèctrodes positius i negatius i es compon d'anions inorgànics o orgànics i ions de liti. Actualment, la principal sal de liti conductora disponible comercialment és LiPF6. En la nova era, per millorar el rendiment electroquímic de les bateries d'ions de liti- i aconseguir determinades funcions especials, sovint s'afegeixen additius funcionals, com ara retardants de flama, a l'electròlit.
En el disseny de la bateria d'ions de liti-, el separador es troba entre els elèctrodes positius i negatius, i la seva funció principal és evitar el contacte directe entre els dos elèctrodes, evitant així curtcircuits. Simultàniament, l'estructura microporosa única d'aquest material permet que els ions de liti passin lliurement. El separador té un paper crucial en la capacitat d'emmagatzematge de la bateria, la vida del cicle i la seguretat general; per tant, utilitzar un separador d'alta-qualitat pot millorar significativament el rendiment electroquímic general de la bateria. Actualment, els tipus de separadors més utilitzats al mercat són les pel·lícules d'alta resistència fetes de poliolefines, inclosos els productes porosos de polipropilè i polietilè, així com els productes fabricats mitjançant la copolimerització de propilè i etilè o utilitzant només homopolímer de polietilè. L'ús de dissolvents no-aquosos a les bateries-d'ions de liti condueix a una menor conductivitat dels-ions de liti, i per tant requereix una gran àrea d'elèctrodes. A més, l'ús d'una estructura-espiral durant el muntatge de la bateria significa que el rendiment de la bateria depèn no només dels elèctrodes en si, sinó també dels aglutinants utilitzats en la fabricació de la bateria. Aquests aglutinants han de garantir la uniformitat i la seguretat dels materials actius durant la fabricació d'elèctrodes, unir eficaçment els materials actius al col·lector de corrent, facilitar la formació d'una pel·lícula protectora SEI (-clectrolyte interphase sòlida) a l'ànode de grafit, mantenir una estabilitat tèrmica suficient durant l'assecat i ser mullat eficaçment per l'electròlit.
La carcassa exterior és el contenidor d'una bateria d'ions de liti-. Les carcasses que s'utilitzen habitualment inclouen carcassas d'acer, carcassas d'alumini i carcassas d'alumini-plàstic compost. Normalment, la carcassa ha de suportar els canvis de temperatures altes i baixes i la corrosió de l'electròlit.