A litij{0}}ionska baterijaje akumulatorska baterija, ki uporablja dva materiala, ki lahko reverzibilno vstavljata in deinterkalirata litijeve ione kot pozitivno oziroma negativno elektrodo. Med polnjenjem se atomi litija v pozitivni elektrodi ionizirajo v litijeve ione in proste elektrone.
Ti litijevi ioni nato migrirajo na negativno elektrodo in se tam združijo s prostimi elektroni, da tvorijo litijeve atome. Nasprotno pa se med praznjenjem litijevi atomi na negativni elektrodi reionizirajo v litijeve ione in proste elektrone ter se nato rekombinirajo na pozitivni elektrodi, da ponovno tvorijo litijeve atome. Zato v celotnem ciklu polnjenja-praznjenja litij vedno obstaja v ionski obliki in nikoli v obliki kovinskega litija, zato se ta tip baterije imenuje litij-ionska baterija. Na podlagi različnih zasnov so najpogostejše litij-ionske baterije na trgu vrečkaste celice, cilindrične celice in gumbaste celice. Material pozitivne elektrode litij-ionskih baterij je običajno z litijem-bogate spojine, kot so LiCoO2, LiFePO4, LiNiO in LiMnzO2. Material negativne elektrode litij-ionskih baterij večinoma temelji na grafitu. Kar zadeva elektrolit, se običajno uporabljajo raztopine specifičnih litijevih soli (kot so LiPF6, LiASF6 in LiCIO4), raztopljene v organskih topilih. Ta organska topila so lahko etilen karbonat (EC) ali dietil karbonat (DEC) itd. Ko je baterija v ciklu polnjenja-praznjenja, litijevi ioni migrirajo naprej in nazaj med pozitivno in negativno elektrodo. Ta postopek je figurativno opisan kot "baterija gugalnega stola", kot je prikazano na spodnjem diagramu.
Če za primer vzamemo litij{0}}ionske baterije z litij-kobaltovim oksidom (LiCoO2) kot pozitivno elektrodo in grafitom kot negativno elektrodo, je njihov elektrokemični izraz: (-)CI LiPF(EC+ DEC) / LiCoO2(+).
Reakcija pozitivne elektrode:
Reakcija negativne elektrode: 5.2
Splošna reakcija: 5.3
Na litij-ionsko baterijo lahko v bistvu gledamo kot na napravo, ki deluje na podlagi razlik v koncentraciji litij-ionov. Med polnjenjem se litijevi ioni sprostijo iz materiala pozitivne elektrode, preidejo skozi elektrolit in se vgradijo v material negativne elektrode, zaradi česar je negativna elektroda bogata z litijem-, medtem ko je pozitivna elektroda relativno-revna z litijem. Hkrati se za vzdrževanje ravnotežja naboja celotnega sistema ustrezni elektroni dovajajo negativni elektrodi na osnovi ogljika-prek zunanjega vezja. Nasprotno pa med praznjenjem litijevi ioni migrirajo z negativne elektrode na pozitivno elektrodo, kar povzroči, da postane pozitivna elektroda bogata z-litijem. Običajno se med običajnimi cikli-praznjenja litijevi ioni vedno znova vgrajujejo in ekstrahirajo med večplastne ogljikove materiale in okside. Ta proces se kaže predvsem kot spremembe v medslojnih razmikih in ne poruši osnovne kristalne strukture materialov. Zato se z vidika reverzibilnosti reakcije kemične spremembe znotraj litij-ionske baterije štejejo za zelo idealen reverzibilen proces. Litij-ionska baterija je sestavljena iz štirih osnovnih komponent: elektrod, elektrolita, separatorja in ohišja. Elektrode so osrednja komponenta litij-ionske baterije, sestavljene iz aktivnih materialov, prevodnih sredstev, veziv in odjemnikov toka. Aktivni materiali (ali elektrodni materiali) so elektrodni materiali v litij-ionskih baterijah, ki sproščajo električno energijo z elektrokemičnimi reakcijami med polnjenjem in praznjenjem. Določajo elektrokemijsko zmogljivost in osnovne značilnosti litij-ionskih baterij. Aktivni materiali vključujejo materiale pozitivnih elektrod in materiale negativnih elektrod. Materiali za pozitivne elektrode so v glavnem praškaste kompozitne kovinske spojine z relativno visokimi potenciali (glede na litijeve kovinske elektrode), kot so LiCoO₂, LiMnO₄, LiNi₁-x-Co:MnyO₂, LiCo:Ni-O₂ in LiFePO₂.
Materiali negativnih elektrod vključujejo ogljikove materiale, zlitine in kovinske okside. Trenutno sta glavna materiala pozitivne in negativne elektrode za litij-ionske baterije, ki se pogosto uporabljajo v prenosnih napravah, LiCoO₂ oziroma grafit. Poleg tega se med izdelavo elektrod običajno dodajo prevodna sredstva (kot je acetilensko črno), da se izboljša prevodnost materialov pozitivnih in negativnih elektrod, da se bolje izpolnijo potrebe praktične uporabe litij-ionskih baterij. Za zagotovitev trdnega oprijema zrnatih pozitivnih in negativnih elektrodnih materialov ter prevodnih sredstev na zbiralnik toka se običajno doda vezivo. Običajna veziva delimo na oljna-in vodna-veziva. Oljna-veziva vključujejo predvsem poliviniliden fluorid (PVDF) in politetrafluoroetilen (PTFE), medtem ko so vodna{10}}veziva predvsem karboksimetilceluloza/stiren-butadienski kavčuk (CMC/SBR). Glavna funkcija zbiralnika toka je prevajanje elektronov iz aktivnega materiala in enakomerna porazdelitev toka, hkrati pa podpira aktivni material. Tokovni zbiralniki morajo imeti na splošno visoko mehansko trdnost, dobro kemično stabilnost in visoko prevodnost. Odjemnik toka za pozitivno elektrodo je aluminijasta folija, odjemnik toka za negativno elektrodo pa bakrena folija.
Vloga elektrolita je prevajanje litijevih ionov med pozitivno in negativno elektrodo. Izbira elektrolita v veliki meri določa načelo delovanja baterije in vpliva na njeno specifično energijo, varnostno zmogljivost, zmogljivost cikla, zmogljivost hitrosti, zmogljivost pri nizkih-temperaturah in zmogljivost shranjevanja. Trenutno komercialno dostopne litij-ionske baterije večinoma uporabljajo ne-vodne sisteme elektrolitov, ki vključujejo organska topila in prevodne litijeve soli. Organsko topilo je glavna sestavina elektrolita in je tesno povezano z njegovim delovanjem; običajno je mešanica organskih topil, kot so etilen karbonat, propilen karbonat, dimetil karbonat in metil etil karbonat. Prevodna litijeva sol zagotavlja litijeve ione, ki se prenašajo med pozitivno in negativno elektrodo, in je sestavljena iz anorganskih ali organskih anionov in litijevih ionov. Trenutno je glavna komercialno dostopna prevodna litijeva sol LiPF6. V novi dobi se za izboljšanje elektrokemične učinkovitosti litij-ionskih baterij in doseganje določenih posebnih funkcij elektrolitu pogosto dodajo funkcionalni dodatki, kot so zaviralci gorenja.
Pri zasnovi litij-ionske baterije je separator nameščen med pozitivno in negativno elektrodo, njegova glavna naloga pa je preprečiti neposreden stik med obema elektrodama, s čimer se izognemo kratkim stikom. Hkrati edinstvena mikroporozna struktura tega materiala omogoča prost prehod litijevih ionov. Separator igra ključno vlogo pri zmogljivosti shranjevanja baterije, njeni življenjski dobi in splošni varnosti; zato lahko uporaba visoko{3}}kakovostnega separatorja znatno izboljša celotno elektrokemično učinkovitost baterije. Trenutno so najpogosteje uporabljene vrste separatorjev na trgu visoko{5}}trdne folije iz poliolefinov, vključno s poroznimi izdelki iz polipropilena in polietilena, pa tudi izdelki, proizvedeni s kopolimerizacijo propilena in etilena ali samo z uporabo polietilenskega homopolimera. Uporaba ne-vodnih topil v litij-ionskih baterijah vodi do nižje prevodnosti litij-ionov, zato je potrebna velika površina elektrod. Poleg tega uporaba spiralno{11}}navite strukture med sestavljanjem baterije pomeni, da zmogljivost baterije ni odvisna le od samih elektrod, ampak tudi od veziv, uporabljenih pri izdelavi baterije. Ta veziva morajo zagotavljati enotnost in varnost aktivnih materialov med izdelavo elektrod, učinkovito vezati aktivne materiale na tokovni zbiralnik, olajšati tvorbo zaščitnega filma SEI (trdna-elektrolitna medfaza) na grafitni anodi, vzdrževati zadostno toplotno stabilnost med sušenjem in jih elektrolit učinkovito zmoči.
Zunanje ohišje je vsebnik litij{0}}ionske baterije. Običajno uporabljena ohišja vključujejo jeklena ohišja, aluminijasta ohišja in ohišja iz aluminija-plastičnih kompozitov. Običajno mora ohišje vzdržati spremembe visokih in nizkih temperatur ter korozijo zaradi elektrolita.