Wie jede Batterie hat eine Lithium-Ionen-Batterie zwei Elektroden, die in einer ionenreichen Lösung, dem Elektrolyt sitzen (siehe Grafik). Die Elektroden sind sehr eng gewickelt, zwischen der Anode und Kathode verhindert ein Polymerfilm (Separator genannt) den Kontakt und einen möglichen Kurzschluss.

In der Anode befinden sich ionisierte Elemente – in diesem Fall Lithium inklusive. Das Element in der gegenüberliegenden Elektrode, nennt man Kathode. Die Ionen bewegen sich durch den Elektrolyt und den Separator. Beim sogenannten Laden oder Entladen bewegen sich Elektronen durch die äußere Beschaltung.

Mehrere Varianten von Lithium-Ionen Batterien konkurrieren miteinander, sie unterscheiden sich im chemischen Design, jede mit ihren Vor- und Nachteilen. Keine der Technologien ist für alle Applikationen perfekt. Unterschiedliche Chemien für unterschiedliche Nischen, welche in Kosten, Leistung, und Sicherheit variieren.

Die Anode wird normalerweise aus Grafit hergestellt, aber die Kathodenzusammensetzung variiert weitgehend in den verschiedenen Konstruktionen und mehr wie jeder andere Faktor bestimmt diese die Kapazität einer Batterie. Das kritische Merkmal ist der Innenwiderstand, an der die Kathode freie Lithium-Ionen absorbieren und abgeben kann; dieser Parameter bestimmt im Wesentlichen die Leistungsdichte. Jede der konkurrierenden Kathodenmaterialien hat eine unterschiedliche Mischung von Kosten, Haltbarkeit, Empfindlichkeit für Temperatur usw. Kobalt ist jedoch reaktionsfähiger als Nickel oder Mangan, das bedeutet, dass es hoch elektrisches Potential ermöglicht, wenn es mit einer Grafitanode in Verbindung kommt, es wird eine höhere Spannung erzeugt. Allerdings ist Kobalt, wie Nickel, teuer. Mangan ist billiger, aber es ist schwer löslich in Elektrolyten – was eine kürzere Nutzungsdauer zur Folge hat.
 

Die wichtigsten Kathoden-Varianten:

Kobalt Dioxid wird zurzeit für kleine Zellen favorisiert. Seit 15 Jahren hat sich diese Technologie auf dem Markt bewährt. Sie verfügt über hohes elektrisches Potential und die höchste Energiedichte - bis zu 600 Wh/kg. Sie ist jedoch am anfälligsten von allen Kathodenalternativen und neigt zu Oxidation und Thermal Runaway bei voller Ladung. Ihr Innenwiderstand nimmt zu, sowohl mit der Lebensdauer, als auch mit der Zyklenanzahl.

Nickel-Kobalt-Mangan ist einfacher in der Herstellung. Nickel und Mangan als Ersatz für einen Teil des Kobalts erhöht das elektrische Potential nur leicht, aber es ist ausreichend für die Hersteller, die Zelle entweder auf höhere Ströme oder größere Energiedichte abstimmen, jedoch nicht beides gleichzeitig. Es ist anfällig für Thermal Runaway, jedoch weniger so als Kobalt Dioxid. Die Lebensdauer ist noch unklar, und Nickel und Mangan sind zurzeit teuer.

Nickel-Kobalt-Aluminium ist ähnlich, mit kostengünstigerem Aluminium, welches das Mangan ersetzt.

Mangan-Oxid-Spinel bietet höhere Ströme mit geringeren Kosten als Kobalt, weil seine dreidimensionale Kristallstruktur für mehr Oberfläche sorgt, welche einen größeren Ionenfluss zwischen den Elektroden zulässt. Der Nachteil ist eine Energiedichte von nicht mehr als 450 Wh/kg.

Eisen-Phosphat ist wahrscheinlich die vielversprechendste neue Kathode, dank ihrer Stabilität und Sicherheit, zudem ist die Zusammensetzung kostengünstig. Die Bindung zwischen Eisen, Phosphat, und den Sauerstoffatomen ist weit stärker ist als jene zwischen Kobalt und Sauerstoffatomen - der Sauerstoff löst sich bei Überladung wesentlich schwieriger, die Zelle kann sich nicht überhitzen.

Bedauerlicherweise leitet Eisenphosphat nicht gut; zum Ausgleich muss eine Dotiersubstanz hinzufügt werden. Selbst dann arbeiten die Zellen mit einer niedrigeren Spannung als Kobalt, also müssen mehrere Zellen zusammen geschaltet werden, um einen Motor zu starten. Das heißt, Eisenphosphat-Batteriepacks benötigen mehr Kopplungen und Sensoren zur Systemkontrolle.

Eisen Nanophosphat, in dieser Kathode werden Nanostrukturen benutzt. Diese patentrechtlich geschützte Methode erzeugt höhere Ströme und eine längere Lebensdauer als frühere Generationen der Eisenphosphat-Zellen. So wie Phosphatmoleküle in der Kathode Lithium aufnehmen und abgeben – Lithiation und Delithiation – ist die Phasengrenze zwischen den zwei Zustandsformen von Kaltwasser und Eis während des Gefrierens. In Nanostrukturen sind die molekularen Gitter der zwei Zustände strukturell einander ähnlicher als in anderen Phosphatzellen, deshalb benötigen die Atome weniger Zeit um sich neu zu gruppieren. Das bedeutet, die Lithiation kann schneller voranschreiten, mehr Strom liefern.

Aufgrund des engeren Gitterabstands der zwei Phasen, ist der physikalische Stress auf die Zelle reduziert, besonders in tiefer Entladung und Ladung. Dies wirkt sich positiv auf die Zyklenfestigkeit der Batterie aus.