Типы литий-ионных

Источник: https://batteryuniversity.com

Литий-ион назван в честь его активных материалов; слова либо написаны полностью, либо сокращены их химическими символами. Ряд букв и цифр, соединенных вместе, может быть трудно запомнить и даже сложнее произнести, а химический состав батареи также обозначен сокращенными буквами.

Например, оксид лития-кобальта, один из наиболее распространенных Li-ионов, имеет химические символы LiCoO ₂ и аббревиатуру LCO. Из соображений простоты для этой батареи также можно использовать кратковременный Li-кобальт. Кобальт является основным активным материалом, который придает этой батарее характер. Другие литий-ионные химические вещества имеют аналогичные краткие названия. В этом разделе перечислены шесть наиболее распространенных Li-ионов. Все показания являются средними оценками на момент написания.

Оксид кобальта лития (LiCoO ₂ )

Его высокая удельная энергия делает Li-кобальт популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых камер. Батарея состоит из катода из оксида кобальта и графитового углеродного анода. Катод имеет слоистую структуру, и во время разряда ионы лития движутся от анода к катоду. Поток меняется на заряд. Недостатком Li-кобальта является относительно короткий срок службы, низкая термостойкость и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). Рисунок 1 иллюстрирует структуру.

Недостатком Li-кобальта является относительно короткий срок службы, низкая термостойкость и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). Как и другие смешанные с кобальтом Li-ионы, Li-кобальт имеет графитовый анод, который ограничивает срок службы цикла благодаря изменяющейся границе раздела твердого электролита (SEI) , утолщается на аноде и литиевом покрытии при быстрой зарядке и зарядке при низкой температуре. Более новые системы включают никель, марганец и / или алюминий для улучшения долговечности, возможностей загрузки и стоимости.

Li-кобальт не следует заряжать и разряжать с током, превышающим его C-рейтинг. Это означает, что аккумулятор 18650 с 2400 мАч может заряжаться и разряжаться только при 2400 мА. Принудительная быстрая зарядка или применение нагрузки выше 2400 мА вызывает перегрев и чрезмерное напряжение. Для оптимальной быстрой зарядки производитель рекомендует C-уровень 0,8C или около 2000 мА. (См. BU-402: что такое C-скорость ). Обязательная схема защиты аккумулятора ограничивает скорость заряда и разряда до безопасного уровня около 1С для энергетического элемента.

График гексагонального паука (рис. 2) суммирует эффективность Li-кобальта с точки зрения удельной энергии или емкости, которая связана со временем работы; удельная мощность или способность подавать большой ток; безопасность; производительность при горячих и холодных температурах; продолжительность жизни, отражающая цикл жизни и долголетия; и стоимость . Другими интересными характеристиками, не показанными в паутине, являются токсичность, способность к быстрой зарядке, саморазрядка и срок годности. (См. BU-104c: восьмиугольная батарея - что делает батарею батарейкой ).

Li-кобальт теряет предпочтение Li-марганцу, но особенно NMC и NCA из-за высокой стоимости кобальта и улучшенных характеристик при смешивании с другими активными катодными материалами. (См. Описание NMC и NCA ниже.)

Таблица результатов

Таблица 3: Характеристики оксида лития-кобальта.

Оксид марганца лития (LiMn ₂ O ₄ )

Впервые литий-ион с марганцевой шпинелью был опубликован в Бюллетене исследований материалов в 1983 году. В 1996 году Moli Energy выпустила на рынок литий-ионную ячейку с оксидом лития-марганца в качестве катодного материала. Архитектура формирует трехмерную шпинельную структуру, которая улучшает поток ионов на электроде, что приводит к снижению внутреннего сопротивления и улучшению обработки тока. Еще одним преимуществом шпинели является высокая термостабильность и повышенная безопасность, но цикл и срок службы календаря ограничены.

Низкое внутреннее сопротивление элемента обеспечивает быструю зарядку и разрядку сильным током. В упаковке 18650 литий-марганец может разряжаться при токах 20–30 А при умеренном нагревании. Также возможно подавать импульсы нагрузки в одну секунду до 50А. Постоянная высокая нагрузка при этом токе может привести к накоплению тепла, и температура элемента не может превышать 80 ° C (176 ° F). Литий-марганец используется для электроинструментов, медицинских инструментов, а также для гибридных и электромобилей.

На рис. 4 показано формирование трехмерного кристаллического каркаса на катоде литий-марганцевой батареи. Эта шпинельная структура, которая обычно состоит из алмазных фигур, соединенных в решетку, появляется после первоначального формирования.

Литий-марганец обладает емкостью примерно на треть ниже, чем у Li-кобальта. Гибкость конструкции позволяет инженерам максимизировать батарею для оптимального срока службы (продолжительности жизни), максимального тока нагрузки (удельная мощность) или высокой емкости (удельная энергия). Например, долговечная версия в ячейке 18650 имеет умеренную емкость всего 1100 мАч; версия с высокой емкостью 1500 мАч.

На рисунке 5 показана паутина типичной литий-марганцевой батареи. Характеристики кажутся незначительными, но новые конструкции улучшились с точки зрения удельной мощности, безопасности и срока службы. Чистые литий-марганцевые батареи больше не распространены сегодня; они могут использоваться только для специальных применений.

Большинство литий-марганцевых батарей смешиваются с литий-никель-марганцевым оксидом кобальта (NMC) для повышения удельной энергии и продления срока службы. Эта комбинация выявляет лучшее в каждой системе, и ЖИО (NMC) выбирается для большинства электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevy Volt и BMW i3. Часть LMO батареи, которая может составлять около 30 процентов, обеспечивает высокий ток при ускорении; часть NMC дает большую дальность движения.

Литий-ионные исследования в значительной степени направлены на объединение Li-марганца с кобальтом, никелем, марганцем и / или алюминием в качестве активного катодного материала. В некоторых архитектурах небольшое количество кремния добавляется к аноду. Это обеспечивает повышение производительности на 25 процентов; однако усиление обычно связано с более коротким сроком службы, так как кремний растет и сжимается с зарядом и разрядкой, вызывая механическое напряжение.

Эти три активных металла, а также кремниевое усиление могут быть удобно выбраны для повышения удельной энергии (емкости), удельной мощности (нагрузочной способности) или долговечности. В то время как потребительские аккумуляторы имеют большую емкость, для промышленного применения требуются аккумуляторные системы, которые имеют хорошую нагрузочную способность, обеспечивают длительный срок службы и обеспечивают безопасное и надежное обслуживание.

Таблица результатов

Таблица 6: Характеристики оксида лития и марганца.

Литий никель марганец оксид кобальта (LiNiMnCoO ₂ или NMC)

Одной из наиболее успешных литий-ионных систем является катодная комбинация никель-марганец-кобальт (NMC). Подобно Li-марганцу, эти системы могут быть приспособлены для использования в качестве энергетических ячеек или силовых ячеек . Например, NMC в ячейке 18650 для условий умеренной нагрузки имеет емкость около 2800 мАч и может доставлять от 4А до 5А; NMC в той же ячейке, оптимизированной для удельной мощности, имеет емкость всего около 2000 мАч, но обеспечивает постоянный ток разряда 20А. Кремниевый анод разгоняется до 4000 мАч и выше, но при сниженной нагрузочной способности и сокращенном сроке службы. Кремний, добавленный к графиту, имеет тот недостаток, что анод растет и сжимается с зарядом и разрядкой, что делает элемент механически нестабильным.

Секрет NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Аналогия этому - поваренная соль, в которой основные ингредиенты, натрий и хлорид, сами по себе токсичны, но их смешивание служит приправой и консервантом пищи. Никель известен своей высокой удельной энергией, но плохой стабильностью; Марганец обладает преимуществом формирования шпинельной структуры для достижения низкого внутреннего сопротивления, но обеспечивает низкую удельную энергию. Объединение металлов усиливает сильные стороны друг друга.

NMC - это аккумуляторная батарея для электроинструментов, электронных велосипедов и других электрических силовых агрегатов. Катодная комбинация обычно представляет собой одну треть никеля, одну треть марганца и одну треть кобальта, также известный как 1-1-1. Это предлагает уникальную смесь, которая также снижает стоимость сырья из-за снижения содержания кобальта. Еще одна удачная комбинация - NCM с 5 частями никеля, 3 частями кобальта и 2 частями марганца (5-3-2). Возможны другие комбинации с использованием различных количеств катодных материалов.

Производители аккумуляторов переходят от кобальтовых систем к никелевым катодам из-за высокой стоимости кобальта. Системы на основе никеля имеют более высокую плотность энергии, более низкую стоимость и более длительный срок службы, чем элементы на основе кобальта, но имеют немного более низкое напряжение.

Новые электролиты и добавки позволяют заряжать до 4,4 В / элемент и выше для увеличения емкости. Рисунок 7 демонстрирует характеристики NMC.

Существует движение в сторону литий-ионных смесей с NMC, так как система может быть построена экономично, и она достигает хорошей производительности. Три активных материала - никель, марганец и кобальт - можно легко смешать, чтобы удовлетворить широкий спектр применений в автомобильных системах и системах накопления энергии (EES), которые требуют частых циклов. Семейство NMC растет в своем разнообразии.

Таблица результатов

Таблица 8: Характеристики лития, никеля, марганца, оксида кобальта (NMC).

Литий фосфат железа (LiFePO ₄ )

В 1996 году Техасский университет (и другие участники) открыли фосфат в качестве катодного материала для литиевых аккумуляторов. Li-фосфат предлагает хорошие электрохимические характеристики с низким сопротивлением. Это стало возможным благодаря наноразмерному фосфатному катодному материалу. Ключевыми преимуществами являются высокий номинальный ток и длительный срок службы, помимо хорошей термической стабильности, повышенной безопасности и устойчивости при неправильном использовании.

Литий-фосфат более устойчив к условиям полной зарядки и меньше подвержен нагрузкам, чем другие литий-ионные системы, если длительное время находится под высоким напряжением. (См. BU-808: как продлить срок службы литиевых батарей ). В качестве компромисса, его более низкое номинальное напряжение 3,2 В / элемент снижает удельную энергию ниже, чем у литий-ионных смесей, смешанных с кобальтом. В большинстве аккумуляторов холодная температура снижает производительность, а повышенная температура хранения сокращает срок службы, и Li-фосфат не является исключением. Li-фосфат имеет более высокий уровень саморазряда, чем другие литий-ионные аккумуляторы, что может вызвать проблемы с балансировкой при старении. Это может быть смягчено путем покупки высококачественных элементов и / или использования сложной управляющей электроники, которые увеличивают стоимость упаковки. Чистота в производстве имеет важное значение для долговечности. Не допускается наличие влаги, иначе батарея будет работать только 50 циклов. Рисунок 9 суммирует атрибуты Li-фосфата.

Литий-фосфат часто используется для замены свинцово-кислотной стартерной батареи. Четыре последовательно соединенных элемента вырабатывают напряжение 12,80 В, что соответствует напряжению, аналогичному шести последовательным свинцово-кислотным элементам 2 В. Транспортные средства заряжают свинцовую кислоту до 14,40 В (2,40 В / элемент) и поддерживают максимальный заряд. Максимальный заряд применяется для поддержания полного уровня заряда и предотвращения сульфатирования на свинцово-кислотных батареях.

С четырьмя литий-фосфатными элементами последовательно, каждый элемент достигает напряжения 3,60 В, что является правильным напряжением полной зарядки. В этот момент заряд должен быть отключен, но долевой заряд продолжается во время движения. Li-фосфат устойчив к некоторой перезарядке; однако, поддерживая напряжение 14,40 В в течение длительного времени, как это делают большинство транспортных средств в длительной поездке, это может привести к образованию Li-фосфата. Время покажет, насколько долговечным будет Li-Phosphate в качестве замены свинцово-кислотной системы с обычной системой зарядки автомобиля. Холодная температура также снижает эффективность литий-ионного двигателя, и это может повлиять на способность проворачивания в крайних случаях.

Таблица результатов

Таблица 10: Характеристики лития, фосфата железа.

Литий никель кобальт оксид алюминия (LiNiCoAlO ₂ )

Литий-никель-кобальтово-алюминиевый аккумулятор, или NCA, существует с 1999 года для специальных применений. Он имеет сходство с NMC, предлагая высокую удельную энергию, достаточно хорошую удельную мощность и длительный срок службы. Менее лестно безопасность и стоимость. Рисунок 11 суммирует шесть ключевых характеристик. NCA является дальнейшим развитием оксида лития-никеля; добавление алюминия придает химии большую стабильность.

Таблица результатов

Таблица 12: Характеристики лития, никеля, кобальта и оксида алюминия.

Титанат лития (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Аккумуляторы с титановыми анодами лития известны с 1980-х годов. Литий-титанат заменяет графит в аноде типичной литий-ионной батареи, и материал образует структуру шпинели. Катод может представлять собой оксид лития-марганца или NMC. Литий-титанат имеет номинальное напряжение элемента 2,40 В, может быть быстро заряжен и обеспечивает высокий ток разряда, равный 10 С, или в 10 раз превышающий номинальную емкость. Считается, что число циклов выше, чем у обычного литий-иона. Литий-титанат безопасен, обладает отличными низкотемпературными характеристиками разряда и обладает способностью 80% при температуре –30 ° C (–22 ° F).

LTO (обычно Li4Ti ₅ O ₁₂ ) имеет преимущества по сравнению с обычным литий-ионным смешанным кобальтом с графитовым анодом благодаря достижению свойства нулевой деформации, отсутствию образования пленки SEI и отсутствию литиевого покрытия при быстрой зарядке и зарядке при низкой температуре. Термостойкость при высокой температуре также лучше, чем у других литий-ионных систем; однако батарея стоит дорого. Только 65 Вт / кг, удельная энергия низкая, конкурируя с NiCd. Li-титанат заряжается до 2,80 В / элемент, а конец разряда составляет 1,80 В / элемент. Рисунок 13 иллюстрирует характеристики литий-титанатной батареи. Типичные области применения - электрические силовые агрегаты, ИБП и уличное освещение на солнечных батареях.
 

Таблица результатов

Таблица 14: Характеристики титаната лития.

На рисунке 15 сравнивается удельная энергия систем на основе свинца, никеля и лития. Хотя Li-Aluminium (NCA) является явным победителем, храня больше емкости, чем другие системы, это относится только к конкретной энергии. С точки зрения удельной мощности и термической стабильности, Li-марганец (LMO) и Li-фосфат (LFP) являются лучшими. Литий-титанат (LTO) может обладать низкой емкостью, но этот химический состав превосходит большинство других батарей с точки зрения срока службы, а также имеет лучшие характеристики при низких температурах. Двигаясь в направлении электрической трансмиссии, безопасность и жизненный цикл будут преобладать над мощностью. (LCO означает Li-кобальт, оригинальный Li-ion.)

Рисунок 15: Типичная удельная энергия свинцовых, никелевых и литиевых батарей.
NCA обладает самой высокой удельной энергией; однако марганец и фосфат превосходят в отношении удельной мощности и термической стабильности. Ли-титанат имеет лучшую продолжительность жизни.
^{Предоставлено Cadex}