Vrste litij-ionskih

Izvor: https://batteryuniversity.com

Litij-ion je nazvan po svojim aktivnim materijalima; Riječi su ili napisane u cijelosti ili skraćene njihovim kemijskim simbolima. Niz slova i brojeva koji su spojeni zajedno može biti teško zapamtiti i još teže izgovoriti, a kemijske baterije su također identificirane u skraćenim slovima.

Na primjer, litij-kobalt-oksid, jedan od najčešćih Li-iona, ima kemijske simbole LiCoO ₂ i kraticu LCO. Radi jednostavnosti, kratki oblik Li-kobalta također se može koristiti za ovu bateriju. Kobalt je glavni aktivni materijal koji daje karakter baterije. Druge litij-ionske kemije dobivaju slična kratka imena. Ovo poglavlje navodi šest najčešćih Li-iona. Sva očitavanja su prosječne procjene u trenutku pisanja.

Litij-kobalt-oksid (LiCoO ₂ )

Njegova visoka specifična energija čini Li-kobalt popularnim izborom za mobilne telefone, prijenosna računala i digitalne fotoaparate. Baterija se sastoji od katode kobaltnog oksida i grafitne ugljične anode. Katoda ima slojevitu strukturu i tijekom pražnjenja, litij ioni se kreću od anode do katode. Protok se preusmjerava. Nedostatak Li-kobalta je relativno kratak životni vijek, niska termička stabilnost i ograničene mogućnosti opterećenja (specifična snaga). Slika 1 prikazuje strukturu.

Nedostatak Li-kobalta je relativno kratak životni vijek, niska termička stabilnost i ograničene mogućnosti opterećenja (specifična snaga). Kao i drugi kubalt izmiješani Li-ion, Li-kobalt ima grafitnu anodu koja ograničava životni vijek ciklusa mijenjanjem sučelja čvrstog elektrolita (SEI) , zadebljanje na anodi i litijskoj pločici, dok se brzo puni i puni na niskoj temperaturi. Noviji sustavi uključuju nikal, mangan i / ili aluminij za poboljšanje dugovječnosti, mogućnosti utovara i troškova.

Li-kobalt se ne smije puniti i prazniti strujom većom od C-vrijednosti. To znači da se ćelija 18650 s 2400mAh može puniti i prazniti samo na 2400mA. Prisiljavanje brzog punjenja ili opterećenje veće od 2400 mA uzrokuje pregrijavanje i nepotrebno opterećenje. Za optimalno brzo punjenje, proizvođač preporučuje C-brzinu od 0,8C ili oko 2000 mA. (Vidi BU-402: Što je stopa C ). Obvezni zaštitni krug akumulatora ograničava brzinu punjenja i pražnjenja na sigurnu razinu od oko 1C za energetsku ćeliju.

Šesterokutna grafika pauka (slika 2) sažima učinak Li-kobalta u smislu specifične energije ili kapaciteta koji se odnosi na vrijeme izvođenja; specifična snaga ili sposobnost isporuke velike struje; sigurnost; performanse na toplim i hladnim temperaturama; životni vijek odražava životni ciklus i dugovječnost; i trošak . Ostale karakteristike od interesa koje nisu prikazane na paukovima su toksičnost, sposobnost brzog punjenja, samopražnjenje i rok trajanja. (Pogledajte BU-104c: Octagon baterija - Što čini bateriju baterijom ).

Li-kobalt gubi prednost u odnosu na Li-mangan, ali posebno NMC i NCA zbog visoke cijene kobalta i poboljšanih performansi miješanjem s drugim aktivnim katodnim materijalima. (Pogledajte opis NMC i NCA u nastavku.)

Tablica sažetka

Tablica 3: Karakteristike litij kobaltnog oksida.

Litij-manganov oksid (LiMn ₂ O ₄ )

Li-ion s manganovim spinelom prvi je put objavljen u Bulletinu za istraživanje materijala 1983. godine. Moli Energy je 1996. komercijalizirao Li-ionsku stanicu s litijevim manganovim oksidom kao katodni materijal. Arhitektura tvori trodimenzionalnu strukturu spinela koja poboljšava protok iona na elektrodi, što rezultira nižim unutarnjim otporom i poboljšanim rukovanjem strujom. Daljnja prednost spinela je visoka termička stabilnost i povećana sigurnost, ali su ciklus i životni vijek kalendara ograničeni.

Niski otpor unutarnje ćelije omogućuje brzo punjenje i visoki strujni pražnjenje. U pakiranju od 18650, Li-mangan se može ispustiti na strujama od 20-30A uz umjereno nakupljanje topline. Moguće je također primijeniti impulse opterećenja od jedne sekunde do 50A. Stalno veliko opterećenje pri toj struji uzrokovalo bi stvaranje topline i temperatura ćelije ne bi mogla prelaziti 80 ° C (176 ° F). Li-mangan se koristi za električne alate, medicinske instrumente, kao i za hibridna i električna vozila.

Slika 4 prikazuje formiranje trodimenzionalnog kristalnog okvira na katodi Li-manganske baterije. Ova struktura spinela, koja se obično sastoji od dijamantnih oblika povezanih u rešetku, pojavljuje se nakon početne formacije.

Li-mangan ima kapacitet koji je otprilike za trećinu niži od Li-kobalta. Fleksibilnost dizajna omogućuje inženjerima da maksimiziraju bateriju za optimalnu dugovječnost (životni vijek), maksimalnu struju opterećenja (specifičnu snagu) ili veliki kapacitet (specifičnu energiju). Na primjer, dugotrajna verzija u ćeliji 18650 ima umjereni kapacitet od samo 1,100 mAh; verzija velikog kapaciteta je 1.500mAh.

Slika 5 prikazuje paukovu mrežu tipične Li-manganske baterije. Karakteristike su marginalne, ali noviji dizajni su poboljšani u smislu specifične snage, sigurnosti i životnog vijeka. Čiste Li-manganske baterije danas nisu više uobičajene; mogu se koristiti samo za posebne primjene.

Većina Li-manganskih baterija miješa se s litijevim nikal-manganovim kobaltnim oksidom (NMC) kako bi se poboljšala specifična energija i produljio vijek trajanja. Ova kombinacija donosi najbolje u svakom sustavu, a LMO (NMC) je izabran za većinu električnih vozila, kao što su Nissan Leaf, Chevy Volt i BMW i3. LMO dio baterije, koji može biti oko 30 posto, osigurava visoki trenutni poticaj ubrzanja; dio NMC daje dugi domet.

Li-ionska istraživanja gravitiraju na kombiniranje Li-mangana s kobaltom, niklom, manganom i / ili aluminijem kao aktivnim katodnim materijalom. U nekim arhitekturama, mala količina silicija se dodaje anodi. To osigurava povećanje kapaciteta od 25 posto; međutim, dobitak je obično povezan s kraćim vijekom trajanja ciklusa jer silicij raste i skuplja se s punjenjem i pražnjenjem, uzrokujući mehaničko naprezanje.

Ova tri aktivna metala, kao i poboljšanje silikona, mogu se povoljno odabrati kako bi se povećala specifična energija (kapacitet), specifična snaga (sposobnost opterećenja) ili dugovječnost. Dok potrošačke baterije zahtijevaju visoki kapacitet, industrijske primjene zahtijevaju akumulatorske sustave koji imaju dobre mogućnosti utovara, pružaju dugi vijek trajanja i pružaju sigurnu i pouzdanu uslugu.

Tablica sažetka

Tablica 6: Karakteristike litij-manganovog oksida.

Litij-nikal-mangan-kobalt-oksid (LiNiMnCoO2 ili NMC)

Jedan od najuspješnijih Li-ion sustava je katodna kombinacija nikal-mangan-kobalt (NMC). Slično kao i Li-mangan, ovi se sustavi mogu prilagoditi servisu kao energetske ćelije ili energetske ćelije . Na primjer, NMC u ćeliji 18650 za umjereno stanje opterećenja ima kapacitet od oko 2,800 mAh i može isporučiti 4A do 5A; NMC u istoj ćeliji optimiziran za specifičnu snagu ima kapacitet od samo oko 2000 mAh, ali daje kontinuiranu struju pražnjenja od 20A. Anoda na bazi silicija će preći na 4.000mAh i više, ali uz smanjenu mogućnost opterećenja i kraći vijek trajanja ciklusa. Silicij koji se dodaje grafitu ima nedostatak što anoda raste i skuplja se s punjenjem i pražnjenjem, čineći stanicu mehanički nestabilnom.

Tajna NMC leži u kombiniranju nikla i mangana. Analogija ovoga je kuhinjska sol u kojoj su glavni sastojci, natrij i klorid, otrovni sami po sebi, ali miješanje služi kao začinska sol i čuvar hrane. Nikal je poznat po svojoj visokoj specifičnoj energiji, ali slaboj stabilnosti; mangan ima prednost oblikovanja spinel strukture da bi se postigao nizak unutarnji otpor, ali nudi nisku specifičnu energiju. Kombiniranje metala međusobno jača snage.

NMC je baterija izbora za električne alate, e-bicikle i ostale električne pogone. Kombinacija katode je tipično jedna trećina nikla, jedna trećina mangana i jedna trećina kobalta, također poznat kao 1-1-1. To nudi jedinstvenu mješavinu koja također smanjuje troškove sirovine zbog smanjenog sadržaja kobalta. Još jedna uspješna kombinacija je NCM s 5 dijelova nikla, 3 dijela kobalta i 2 dijela mangana (5-3-2). Moguće su i druge kombinacije koje koriste različite količine katodnih materijala.

Proizvođači baterija udaljavaju se od sustava kobalta prema katodima nikla zbog visoke cijene kobalta. Sustavi na bazi nikla imaju veću gustoću energije, niže troškove i dulji vijek trajanja od stanica na bazi kobalta, ali imaju nešto niži napon.

Novi elektroliti i aditivi omogućuju punjenje do 4,4 V / ćeliju i više za povećanje kapaciteta. Slika 7 prikazuje karakteristike NMC.

Došlo je do pomaka prema Li-ionima pomiješanim s NMC-om jer se sustav može ekonomski sagraditi i postići dobre performanse. Tri aktivna materijala nikla, mangana i kobalta mogu se jednostavno miješati kako bi odgovarali širokom rasponu primjena za sustave za skladištenje i skladištenje energije (EES) koji zahtijevaju često kruženje. NMC obitelj raste u svojoj raznolikosti.

Tablica sažetka

Tablica 8: Karakteristike litij-nikal-manganovog kobaltnog oksida (NMC).

Litijev željezni fosfat (LiFePO ₄ )

Godine 1996. Sveučilište u Teksasu (i ostali suradnici) otkrili su fosfat kao katodni materijal za punjive litijeve baterije. Li-fosfat nudi dobre elektrokemijske performanse s malim otporom. To je moguće s materijalom za nanošenje fosfata s nano mjerilom. Glavne prednosti su visoka struja i dugi vijek trajanja, osim dobre termičke stabilnosti, povećane sigurnosti i tolerancije ako se zloupotrebljavaju.

Li-fosfat je tolerantniji na uvjete potpunog punjenja i manje je opterećen od drugih litij-ionskih sustava ako se čuva na visokom naponu dulje vrijeme. (Pogledajte BU-808: Kako produljiti baterije na bazi litija ). Kao kompromis, njegov niži nazivni napon od 3.2V / ćeliju smanjuje specifičnu energiju ispod one od litij-ionskih kobalta. Kod većine baterija hladna temperatura smanjuje performanse i povišena temperatura skladištenja skraćuje vijek trajanja, a Li-fosfat nije iznimka. Li-fosfat ima veće samo-pražnjenje u odnosu na druge litij-ionske baterije, što može uzrokovati probleme s uravnoteženjem sa starenjem. To se može ublažiti kupnjom visokokvalitetnih ćelija i / ili korištenjem sofisticirane kontrolne elektronike, od kojih oba povećavaju cijenu pakiranja. Čistoća u proizvodnji važna je za dugovječnost. Nema tolerancije za vlagu, jer će baterija isporučivati samo 50 ciklusa. Slika 9 sažima atribute Li-fosfata.

Li-fosfat se često koristi za zamjenu akumulatora s olovnim kiselinama. Četiri stanice u seriji proizvode 12.80V, sličan napon do šest 2V olovnih stanica u seriji. Vozila naplaćuju olovnu kiselinu na 14.40V (2.40V / ćeliju) i održavaju punjenje. Topping naboj se primjenjuje kako bi se održala puna razina punjenja i spriječilo sulfatiranje na kiselim baterijama.

S četiri Li-fosfatne stanice u seriji, svaka stanica se nalazi na 3.60V, što je ispravan napon punog punjenja. U ovom trenutku, punjenje treba prekinuti, ali punjenje se nastavlja tijekom vožnje. Li-fosfat je tolerantan na neke preopterećenja; međutim, zadržavanje napona na 14,4 V dulje vrijeme, kao što većina vozila radi na dugom putovanju, moglo bi podići Li-fosfat. Vrijeme će pokazati koliko će trajni Li-fosfat biti zamjena za olovne kiseline s redovitim sustavom punjenja vozila. Hladna temperatura također smanjuje performanse Li-ion-a i to bi moglo utjecati na sposobnost pokretanja u ekstremnim slučajevima.

Tablica sažetka

Tablica 10: Karakteristike litijevog fosfata željeza.

Aluminij oksid litij-nikal kobalta (LiNiCoAlO ₂ )

Litij nikal kobalt aluminij oksid baterija, ili NCA, je oko od 1999 za posebne primjene. On dijeli sličnosti s NMC nudeći visoku specifičnu energiju, razumno dobru specifičnu snagu i dugi vijek trajanja. Manje laskavi su sigurnost i cijena. Slika 11 sažima šest ključnih obilježja. NCA je daljnji razvoj litij-niklovog oksida; dodavanje aluminija daje kemiji veću stabilnost.

Tablica sažetka

Tablica 12: Karakteristike aluminijevog oksida litij-nikal kobalta.

Litij titanat (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Baterije s anodima litij-titanata poznate su još od 1980-ih. Li-titanat zamjenjuje grafit u anodi tipične litij-ionske baterije, a materijal formira u spinelnu strukturu. Katoda može biti litij-manganov oksid ili NMC. Li-titanat ima nominalni napon ćelije od 2.40V, može se brzo puniti i isporučiti visoku struju pražnjenja od 10C, ili 10 puta više od nazivnog kapaciteta. Za brojanje ciklusa se kaže da je veći od broja regularnog Li-iona. Li-titanat je siguran, ima izvrsne karakteristike pražnjenja pri niskim temperaturama i ima kapacitet od 80 posto na -30 ° C (-22 ° F).

LTO (uobičajeno Li4Ti5O12) ima prednosti u odnosu na konvencionalni Li-ion s kobaltom s grafitnom anodom postizanjem svojstava nultog naprezanja, bez stvaranja SEI filma i bez litijskog oplate pri brzom punjenju i punjenju na niskoj temperaturi. Termička stabilnost pod visokom temperaturom je također bolja od ostalih Li-ion sustava; međutim, baterija je skupa. Sa samo 65Wh / kg, specifična energija je niska, usporedivši se s NiCd. Li-titanat se puni na 2.80V / ćeliju, a kraj pražnjenja je 1.80V / ćeliju. Slika 13 prikazuje karakteristike baterije Li-titanata. Tipične namjene su električni pogoni, UPS i solarna ulična rasvjeta.
 

Tablica sažetka

Tablica 14: Karakteristike litijevog titanata.

Slika 15 uspoređuje specifičnu energiju sustava na bazi olova, nikla i litija. Dok je Li-aluminij (NCA) jasan pobjednik pohranjivanjem većeg kapaciteta od ostalih sustava, to se odnosi samo na specifičnu energiju. U pogledu specifične snage i termičke stabilnosti, Li-mangan (LMO) i Li-fosfat (LFP) su superiorni. Li-titanat (LTO) može imati nizak kapacitet, ali ova kemija nadživljuje većinu drugih baterija u pogledu životnog vijeka i također ima najbolje performanse za hladnu temperaturu. Kretanje prema električnom pogonu, sigurnost i životni vijek ciklusa dobit će dominaciju nad kapacitetom. (LCO označava Li-kobalt, izvorni Li-ion.)

Slika 15: Tipična specifična energija baterija na bazi olova, nikla i litija.
NCA uživa najvišu specifičnu energiju; međutim, mangan i fosfat su superiorni u smislu specifične snage i termičke stabilnosti. Li-titanat ima najbolji životni vijek.
^{Ljubaznošću Cadexa}