Типи літій-іонних

Джерело: https://batteryuniversity.com

Літій-іон названий так, що його активні матеріали; слова або пишуться повністю або скорочуються їхніми хімічними символами. Ряд букв і цифр, зв'язаних разом, може бути важко запам'ятовувати і навіть важче проголошувати, а хімія акумуляторів також ідентифікується в скорочених літерах.

Наприклад, оксид кобальту літію, один з найбільш поширених Li-іонів, має хімічні символи LiCoO ₂ і абревіатуру LCO. З міркувань простоти, для цієї батареї також може бути використана коротка форма Li-кобальту. Кобальт є основним активним матеріалом, який дає цей акумуляторний характер. Інші літій-іонні хімії дають подібні назви короткої форми. У цьому розділі наведено шість найпоширеніших Li-іонів. Всі показання є середніми оцінками на момент написання.

Оксид кобальту літію (LiCoO ₂ )

Висока питома енергія робить Li-кобальт популярним вибором для мобільних телефонів, ноутбуків і цифрових камер. Батарея складається з катода оксиду кобальту і графітового вуглецевого анода. Катод має шарувату структуру і під час розряду іони літію рухаються від анода до катода. Потік змінюється на заряд. Недоліком Li-кобальту є відносно короткий термін служби, низька термостабільність і обмежені навантажувальні можливості (питома потужність). Фіг.1 ілюструє структуру.

Недоліком Li-кобальту є відносно короткий термін служби, низька термостабільність і обмежені навантажувальні можливості (питома потужність). Як і інші літій-іонні суміші кобальту, Li-кобальт має графітовий анод, який обмежує термін служби циклу змінюваного інтерфейсу твердого електроліту (SEI) , потовщення на аноді і літію при швидкій зарядці і зарядці при низькій температурі. Нові системи включають нікель, марганець та / або алюміній для поліпшення довговічності, навантажувальних можливостей та вартості.

Li-кобальт не повинен заряджатися і розряджатися при струмі, що перевищує його C-рейтинг. Це означає, що комірку 18650 з частотою 2400 мАг можна заряджати і розряджати лише при температурі 2400 мА. Примусове швидке зарядження або навантаження, що перевищує 2400 мА, призводить до перегріву і надмірного стресу. Для оптимального швидкого заряду виробник рекомендує C-ступінь 0,8C або близько 2000mA. (Визначте BU-402: Що таке C-ставка ). Обов'язкова схема захисту батареї обмежує швидкість заряду і розряду до безпечного рівня близько 1С для енергетичної комірки.

Графік гексагонального павука (рис. 2) підсумовує продуктивність Li-кобальту в термінах питомої енергії або потужності, що відноситься до часу виконання; питома потужність або здатність доставляти високий струм; безпека; продуктивність при гарячих і холодних температурах; тривалість життя, що відображає життєвий цикл і довголіття; і вартість . Іншими особливостями, що представляють інтерес, які не показані на павутинах, є токсичність, можливості швидкого зарядки, саморозряд і термін придатності. (Див. BU-104c: Батарея Octagon - Що робить батарею батареєю ).

Li-кобальт втрачає користь для Li-марганцю, але особливо NMC і NCA через високу вартість кобальту і підвищення продуктивності шляхом змішування з іншими активними катодними матеріалами. (Див. Опис NMC та NCA нижче.)

Зведена таблиця

Таблиця 3: Характеристики оксиду літію кобальту.

Оксид літієвого марганцю (LiMn ₂ O ₄ )

Літій-іон з марганцевою шпінеллю вперше був опублікований в бюлетені з досліджень матеріалів у 1983 році. У 1996 році компанія Moli Energy здійснювала комерційну експлуатацію літій-іонної комірки з оксидом марганцю літію в якості матеріалу катода. Архітектура утворює тривимірну структуру шпінелі, яка покращує іонний потік на електроді, що призводить до зниження внутрішнього опору і поліпшення керування струмом. Подальшою перевагою шпінелі є висока термічна стабільність і підвищена безпека, але цикл і календарний термін служби обмежені.

Низький опір внутрішньої комірки дозволяє швидко заряджати і розряджати струм. У пакеті 18650 Li-марганець може бути скинутий при струмах 20–30A з помірним нагріванням. Також можна застосовувати односекційні імпульси навантаження до 50А. Безперервне високе навантаження на цей струм може призвести до нагрівання, а температура в комірці не повинна перевищувати 80 ° C (176 ° F). Лі-марганець використовується для електроінструментів, медичних інструментів, а також гібридних і електричних транспортних засобів.

Фіг.4 ілюструє формування тривимірного кристалічного каркаса на катоді Li-марганцевої батареї. Ця структура шпінелі, яка зазвичай складається з алмазних форм, з'єднаних у решітку, з'являється після початкового формування.

Li-марганець має ємність, яка приблизно на третину нижче, ніж Li-кобальт. Гнучкість конструкції дозволяє інженерам максимізувати батарею для оптимальної довговічності (терміну служби), максимального струму навантаження (питомої потужності) або високої потужності (питомої енергії). Наприклад, довговічна версія в осередку 18650 має помірну ємність лише 1100 мАг; версія великої ємності - 1500 мАг.

Фіг.5 показує павутину типового Li-марганцевого акумулятора. Характеристики виглядають незначними, але нові конструкції покращилися з точки зору питомої потужності, безпеки та тривалості життя. Чисті батареї Li-марганцю сьогодні не є звичайними; вони можуть використовуватися лише для спеціальних застосувань.

Більшість Li-марганцевих батарей змішуються з літієвим нікелевим оксидом кобальту марганцю (NMC) для поліпшення питомої енергії і продовження терміну служби. Ця комбінація приносить кращий у кожній системі, та LMO (NMC) вибирається для найбільш електричних суден, наприклад Nissan Лист, Chevy Volt та BMW i3. LMO частина батареї, яка може бути близько 30 відсотків, забезпечує високий поточний прискорення при розгоні; частина NMC дає довгий діапазон руху.

Літій-іонні дослідження тяжіють до об'єднання Li-марганцю з кобальтом, нікелем, марганцем та / або алюмінієм як активним матеріалом катода. У деяких архітектурах до анода додано невелику кількість кремнію. Це забезпечує підвищення потужності на 25%; однак, коефіцієнт підсилення зазвичай пов'язаний з більш коротким циклом життя, оскільки кремній зростає і стискається з зарядом і розрядом, викликаючи механічне напруження.

Ці три активні метали, а також поліпшення кремнію зручно вибирати для підвищення питомої енергії (ємності), питомої потужності (вантажопідйомності) або довговічності. У той час як споживчі акумулятори мають високу продуктивність, для промислових застосувань потрібні акумуляторні системи, які мають хороші навантажувальні можливості, забезпечують тривалий термін служби та забезпечують безпечний та надійний сервіс.

Зведена таблиця

Таблиця 6: Характеристики оксиду літієвого марганцю.

Оксид кобальту марганцю з літієвим нікелем (LiNiMnCoO ₂ або NMC)

Однією з найбільш успішних літій-іонних систем є катодна комбінація нікель-марганцево-кобальтового (NMC). Подібно до Li-марганцю, ці системи можуть бути пристосовані до сервісів як енергетичних клітин або енергетичних елементів . Наприклад, NMC в осередку 18650 для умов помірного навантаження має ємність близько 2,800 мАг і може доставляти 4А до 5А; NMC в одній і тій же комірці, оптимізованої для питомої потужності, має ємність всього лише 2000 мАг, але забезпечує безперервний струм розряду 20A. Анод на основі кремнію переходить до 4000 мАг і вище, але при зниженому навантаженні і меншому терміні циклу. Кремній, доданий до графіту, має недолік, що анод росте і стискається з зарядом і розрядом, роблячи камеру механічно нестійкою.

Секрет NMC полягає в поєднанні нікелю і марганцю. Аналогією цього є кухонна сіль, в якій основні інгредієнти, натрій і хлорид, самі по собі токсичні, але їх змішування служить приправою для солі та харчового консерванта. Нікель відомий своєю високою питомою енергією, але слабкою стабільністю; Марганець має переваги формування структури шпінелі для досягнення низького внутрішнього опору, але пропонує низьку питому енергію. Об'єднання металів підсилює один одного сильні сторони.

NMC є батареєю вибору для електричних інструментів, e-велосипедів та інших електричних powertrains. Катодна комбінація зазвичай становить одну третину нікелю, одну третину марганцю і одну третину кобальту, також відому як 1-1-1. Це пропонує унікальну суміш, яка також знижує вартість сировини за рахунок зниження вмісту кобальту. Ще однією успішною комбінацією є NCM з 5 частинами нікелю, 3 частини кобальту і 2 частини марганцю (5-3-2). Можливі інші комбінації, що використовують різні кількості катодних матеріалів.

Виробники батарей відходять від кобальтових систем до катодних нікелевих сплавів через високу вартість кобальту. Системи на основі нікелю мають більш високу щільність енергії, меншу вартість і довший термін служби, ніж кобальтові клітини, але вони мають дещо нижчу напругу.

Нові електроліти та добавки дозволяють заряджати до 4,4 В / клітинку і вище, щоб підвищити ємність. Фіг.7 демонструє характеристики NMC.

Існує перехід до літій-іонів, змішаних з NMC, оскільки система може бути побудована економічно, і вона досягає хороших показників. Три активні матеріали нікелю, марганцю та кобальту легко можуть бути змішані, щоб задовольнити широкий спектр застосувань для автомобільних та енергозберігаючих систем (ЕЕС), які потребують частого велосипедного руху. Родина NMC зростає в її різноманітності.

Зведена таблиця

Таблиця 8: Характеристики літій-нікелевого оксиду кобальту марганцю (NMC).

Фосфат заліза (LiFePO ₄ )

У 1996 році Техаський університет (та інші фахівці) виявили фосфат як катодний матеріал для літієвих акумуляторів. Li-фосфат забезпечує хороші електрохімічні характеристики з низьким опором. Це стало можливим завдяки наномасштабному матеріалу катодного фосфату. Основними перевагами є високий рейтинг струму та тривалий термін служби, крім хорошої термічної стабільності, підвищеної безпеки та толерантності при зловживанні.

Li-фосфат є більш толерантним до умов повної зарядки і менш напружений, ніж інші літій-іонні системи, якщо він тримається на високій напрузі протягом тривалого часу. (Див. BU-808: Як продовжити літієві батареї ). Як компроміс, його нижня номінальна напруга 3.2V / осередку зменшує питому енергію нижче літій-іонної суміші. При більшості батарей холодна температура знижує продуктивність і підвищена температура зберігання скорочує термін служби, а Li-фосфат не є винятком. Лі-фосфат має більш високий рівень саморозряду, ніж інші літій-іонні батареї, що може викликати проблеми зі старінням. Це можна пом'якшити, купуючи високоякісні осередки та / або використовуючи складну керуючу електроніку, обидва з яких збільшують вартість пакета. Чистота у виробництві важлива для довголіття. Немає допуску до вологи, щоб акумулятор не забезпечив лише 50 циклів. Фігура 9 узагальнює атрибути Li-фосфату.

Li-фосфат часто використовується для заміни свинцево-кислотних стартерних батарей. Чотири клітини в серії виробляють 12.80V, аналогічно напрузі до шести 2V свинцево-кислотних клітин послідовно. Транспортні засоби заряджають свинцеву кислоту до 14.40V (2.40V / cell) і підтримують дозуючий заряд. Дозаторний заряд застосовується для підтримки повного рівня заряду і запобігання сульфатированию на кислотних батареях.

З чотирма Li-фосфатними клітинами послідовно, кожна клітина вершини на 3.60V, що є правильним повним зарядом напруги. У цей момент заряд повинен бути відключений, але дозуючий заряд продовжує рух під час руху. Li-фосфат толерантний до деякої надлишкової зарядки; але, keeping напруга на 14.40V протягом тривалого часу, тому що найбільш судна роблять на довгій дорожній подорожі, могли підкреслити Li-фосфат. Час покаже, як міцний Li-фосфат буде як свинцева кислота заміни з регулярною системою зарядки автомобіля. Холодна температура також знижує продуктивність Li-ion і це може вплинути на здатність кріплення в крайніх випадках.

Зведена таблиця

Таблиця 10: Характеристики літієвого фосфату заліза.

Оксид алюмінію алюмінію кобальту літій-нікелю (LiNiCoAlO ₂ )

Літій-нікель кобальт оксид алюмінію акумулятор, або NCA, існує з 1999 року для спеціальних застосувань. Він поділяє схожість з NMC, пропонуючи високу питому енергію, досить хорошу питому потужність і довгий термін служби. Менш приємними є безпека і вартість. Рисунок 11 узагальнює шість ключових характеристик. НКА є подальшим розвитком оксиду літій-нікелю; додавання алюмінію надає хімії більшу стабільність.

Зведена таблиця

Таблиця 12: Характеристики оксиду алюмінію кобальту з літієвим нікелем.

Титанат літію (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Батареї з анодами титаната літію відомі з 1980-х років. Li-титанат замінює графіт в аноді типового літій-іонного акумулятора, а матеріал утворює шпинельную структуру. Катодом може бути оксид марганцю літію або NMC. Li-титанат має номінальну напругу в осередку 2.40V, може бути швидко зарядженою і забезпечує високий струм розряду 10C, або 10-кратний від номінальної потужності. Вважається, що кількість циклів вище, ніж у звичайного літієвого іона. Li-титанат є безпечним, має відмінні характеристики при низьких температурах і має потужність 80% при –30 ° C (–22 ° F).

LTO (зазвичай Li4Ti ₅ O ₁₂ ) має переваги перед звичайним кобальт-змішаним Li-іоном з графітовим анодом шляхом досягнення нульової напруженості, відсутності SEI-плівки і відсутності літієвого покриття при швидкій зарядці і зарядці при низькій температурі. Термічна стійкість при високій температурі також краща, ніж в інших літій-іонних системах; проте акумулятор коштує дорого. Тільки 65Wh / kg, питома енергія є низькою, що конкурує з NiCd. Li-титанат заряджає до 2.80V / клітинку, а кінець розряду становить 1.80V / осередок. Фіг.13 ілюструє характеристики Li-титанатной батареї. Типові використання електричні powertrains, UPS та сонячний-powered вуличне освітлення.
 

Зведена таблиця

Таблиця 14: Характеристики титаната літію.

Рисунок 15 порівнює питому енергію систем на основі свинцю, нікелю та літію. Хоча Li-алюміній (NCA) є очевидним переможцем, зберігаючи більше потужності, ніж інші системи, це стосується лише певної енергії. З точки зору питомої потужності і термічної стійкості, лі-марганець (LMO) і Li-фосфат (LFP) є перевершують. Li-титанат (LTO) може мати низьку потужність, але ця хімія переживає більшість інших батарей з точки зору тривалості життя, а також має кращі показники холодної температури. Переміщення до електричного двигуна, безпеки та життя циклу отримає домінування над потужністю. (LCO означає Li-кобальт, вихідний літій-іон.)

Рисунок 15: Типова питома енергія батарей на основі свинцю, нікелю та літію.
НКА користується найвищою питомою енергією; однак марганець і фосфати є кращими з точки зору питомої потужності та термостабільності. Li-титанат має найкращий термін служби.
^{Надано Cadex}