Tipuri de litiu-ion

Sursa: https://batteryuniversity.com

Litiu-ion este numit pentru materialele sale active; cuvintele sunt fie scrise în întregime, fie scurtate prin simbolurile lor chimice. O serie de litere și numere strânse împreună pot fi greu de reținut și chiar mai greu de pronunțat, iar chimia bateriilor este identificată și în litere prescurtate.

De exemplu, oxidul de litiu de cobalt, unul dintre cele mai comune ioni Li, are simbolurile chimice LiCoO2 și abrevierea LCO. Din motive de simplitate, scurta forma Li-cobalt poate fi de asemenea folosita pentru aceasta baterie. Cobaltul este principalul material activ care oferă acest caracter al bateriei. Alte chimii Li-ion sunt date similar cu nume scurte. Această secțiune listează șase dintre cele mai comune ioni de Li. Toate citirile sunt estimări medii la momentul scrisului.

Litiu oxid de cobalt (LiCoO ₂ )

Energia sa specifică mare face Li-cobaltul alegerea populară pentru telefoanele mobile, laptopurile și camerele digitale. Bateria constă dintr-un catod de oxid de cobalt și un anod de carbon grafit. Catodul are o structură stratificată, iar în timpul descărcării, ionii de litiu se deplasează de la anod la catod. Debitul se inversează la încărcare. Dezavantajul Li-cobaltului este o durată de viață relativ scurtă, stabilitate termică scăzută și capacități de încărcare reduse (putere specifică). Figura 1 ilustrează structura.

Dezavantajul Li-cobaltului este o durată de viață relativ scurtă, stabilitate termică scăzută și capacități de încărcare reduse (putere specifică). La fel ca și alte Li-ion amestecate cu cobalt, Li-cobaltul are un anod de grafit care limitează viața ciclului printr-o interfață electrolitică solidă în schimbare (SEI) , îngroșarea pe anod și placarea cu litiu, în timp ce încărcarea rapidă și încărcarea la temperaturi scăzute. Sistemele mai noi includ nichel, mangan și / sau aluminiu pentru a îmbunătăți longevitatea, capacitățile de încărcare și costurile.

Li-cobaltul nu ar trebui să fie încărcat și descărcat la un curent mai mare decât cel al lui C-rating. Aceasta înseamnă că o celulă de 18650 cu 2,400mAh poate fi încărcată și descărcată numai la 2400mA. Forțarea unei încărcări rapide sau aplicarea unei sarcini mai mari de 2400mA cauzează supraîncălzirea și stresul necorespunzător. Pentru o încărcare rapidă optimă, producătorul recomandă o rată C de 0,8 C sau de aproximativ 2,000 mA. (Se e BU-402: Ce este rata C ). Circuitul obligatoriu de protecție a bateriilor limitează rata de încărcare și descărcare la un nivel sigur de aproximativ 1C pentru celula de energie.

Grafica păianjenului hexagonal (Figura 2) rezumă performanța Li-cobaltului în ceea ce privește energia sau capacitatea specifică care se referă la timpul de execuție; putere specifică sau capacitatea de a furniza curent ridicat; Siguranță; performanță la temperaturi calde și scăzute; durata de viață care reflectă durata ciclului și longevitatea; și costul . Alte caracteristici de interes care nu sunt prezentate în păianjen sunt toxicitatea, capacitățile de încărcare rapidă, auto-descărcare și perioada de valabilitate. (Vezi BU-104c: Bateria Octagon - Ce face bateria o baterie ).

Li-cobaltul își pierde favoarea Li-manganului, dar în special NMC și NCA din cauza costului ridicat al cobaltului și performanțelor îmbunătățite prin amestecarea cu alte materiale catodice active. (Vezi descrierea NMC și a ANC de mai jos.)

Tabel rezumativ

Tabelul 3: Caracteristicile oxidului de litiu de cobalt.

Litiu oxid de mangan (LiMn2O4)

Li-ionul cu spinel de mangan a fost publicat pentru prima data in Buletinul de Cercetare a Materialelor in 1983. In 1996, Moli Energy a comercializat o celula Li-ion cu oxid de mangan de litiu ca material catodic. Arhitectura formează o structură spinel tridimensională care îmbunătățește fluxul de ioni pe electrod, ceea ce conduce la o rezistență internă scăzută și la o manevrare îmbunătățită a curentului. Un alt avantaj al spinelului este stabilitatea termică ridicată și siguranța îmbunătățită, însă ciclul și durata de viață a calendarului sunt limitate.

Scăderea rezistenței interne a celulelor permite încărcarea rapidă și descărcarea de curent înalt. Într-un pachet de 18650, Li-manganul poate fi descărcat la curenți de 20-30 A cu acumulare moderată de căldură. De asemenea, este posibil să se aplice impulsuri de încărcare de o secundă de până la 50A. O sarcină continuă mare la acest curent ar produce acumulări de căldură, iar temperatura celulei nu poate depăși 80 ° C (176 ° F). Li-manganul este folosit pentru scule electrice, instrumente medicale, precum și pentru vehicule hibride și electrice.

Figura 4 ilustrează formarea unui cadru tridimensional cristalin pe catodul unei baterii Li-mangan. Această structură de spinel, care este de obicei compusă din forme de diamant legate într-o latură, apare după formarea inițială.

Li-manganul are o capacitate de aproximativ o treime mai mică decât Li-cobaltul. Flexibilitatea designului permite inginerilor să maximizeze bateria pentru o longevitate optimă (durata de viață), curentul maxim de sarcină (puterea specifică) sau capacitatea mare (energia specifică). De exemplu, versiunea cu durată de viață lungă în celula 18650 are o capacitate moderată de numai 1100 mAh; versiunea cu capacitate mare este de 1.500mAh.

Figura 5 prezintă păianjenul unei baterii tip Li-mangan. Caracteristicile apar marginal, dar noile modele s-au îmbunătățit în ceea ce privește puterea specifică, siguranța și durata de viață. Bateriile pure Li-mangan nu mai sunt comune astăzi; acestea pot fi utilizate numai pentru aplicații speciale.

Cele mai multe baterii de Li-mangan se amestecă cu oxid de cobalt de litiu-nichel-mangan (NMC) pentru a îmbunătăți energia specifică și pentru a prelungi durata de viață. Această combinație aduce cele mai bune rezultate în fiecare sistem, iar LMO (NMC) este aleasă pentru majoritatea vehiculelor electrice, cum ar fi Nissan Leaf, Chevy Volt și BMW i3. Partea LMO a bateriei, care poate fi de aproximativ 30%, asigură un impuls ridicat de accelerație; partea NMC oferă intervalul de conducere lung.

Cercetarea cu ioni de ioni gravitează foarte mult spre combinarea Li-manganului cu cobalt, nichel, mangan și / sau aluminiu ca material catod activ. În unele arhitecturi, o cantitate mică de siliciu este adăugată anodului. Aceasta oferă o creștere a capacității de 25%; totuși, câștigul este în mod obișnuit legat de o viață mai scurtă a ciclului, deoarece siliciul crește și se contractă cu încărcare și descărcare, cauzând stres mecanic.

Aceste trei metale active, precum și îmbunătățirea siliciului pot fi convenabil alese pentru a spori puterea specifică (capacitatea), puterea specifică (capacitatea de încărcare) sau longevitatea. În timp ce bateriile de consum sunt mari, aplicațiile industriale necesită sisteme de baterii care au capacități bune de încărcare, oferă o viață îndelungată și oferă servicii sigure și fiabile.

Tabel rezumativ

Tabelul 6: Caracteristicile oxidului de mangan de litiu.

Litiu nichel Mangan Oxid de cobalt (LiNiMnCoO ₂ sau NMC)

Unul dintre cele mai de succes sisteme Li-ion este o combinație catodică de nichel-mangan-cobalt (NMC). Similar cu Li-manganul, aceste sisteme pot fi adaptate pentru a servi ca celule de energie sau celule de putere . De exemplu, NMC într-o celulă de 18650 pentru condiții moderate de încărcare are o capacitate de aproximativ 2800mAh și poate livra 4A la 5A; NMC în aceeași celulă optimizată pentru o putere specifică are o capacitate de numai aproximativ 2.000mAh, dar oferă un curent continuu de descărcare de 20A. Un anod pe bază de siliciu va ajunge la 4.000mAh și mai mare, dar cu o capacitate redusă de încărcare și o durată mai scurtă de viață a ciclului. Siliciul adăugat la grafit are dezavantajul că anodul crește și se contractă cu încărcare și descărcare, făcând celula instabilă mecanic.

Secretul NMC constă în combinarea nichelului cu manganul. O analogie a acestui lucru este sarea de masă în care principalele ingrediente, sodiu și clor, sunt toxice ca atare, dar amestecarea lor servește ca sare de condimente și conserve de alimente. Nichelul este cunoscut pentru energia sa specifică ridicată, dar pentru o stabilitate slabă; manganul are avantajul formării unei structuri de spinel pentru a obține rezistență internă scăzută, dar oferă o energie specifică scăzută. Combinarea metalelor se intensifică reciproc.

NMC este bateria preferată pentru scule electrice, biciclete electronice și alte motoare electrice. Combinația catodică este de obicei o treime de nichel, o treime de mangan și o treime de cobalt, cunoscut și ca 1-1-1. Aceasta oferă un amestec unic care reduce și costul materiilor prime din cauza conținutului redus de cobalt. O altă combinație reușită este NCM cu 5 părți nichel, 3 părți cobalt și 2 părți mangan (5-3-2). Sunt posibile alte combinații care utilizează diferite cantități de materiale catodice.

Producătorii de baterii se îndepărtează de sistemele de cobalt către catozi din nichel datorită costului ridicat al cobaltului. Sistemele bazate pe nichel au o densitate mai mare de energie, un cost mai mic și o ciclu de viață mai lung decât celulele bazate pe cobalt, dar au o tensiune ușor mai mică.

Electroliții noi și aditivii permit încărcarea la 4.4V / celulă și mai mare pentru a crește capacitatea. Figura 7 demonstrează caracteristicile NMC.

Există o mișcare către Li-ion amestecat cu NMC, deoarece sistemul poate fi construit economic și realizează o performanță bună. Cele trei materiale active din nichel, mangan și cobalt pot fi amestecate cu ușurință pentru a se potrivi cu o gamă largă de aplicații pentru sistemele de stocare a energiei electrice și pentru autovehicule (EES) care necesită ciclism frecvent. Familia NMC crește în diversitate.

Tabel rezumativ

Tabelul 8: Caracteristicile oxidului de cobalt de litiu-nichel-mangan (NMC).

Fosfatul de fier de litiu (LiFePO ₄ )

În 1996, Universitatea din Texas (și alți contribuabili) au descoperit ca fosfat ca material catod pentru baterii reîncărcabile cu litiu. Li-fosfatul oferă performanțe electrochimice bune, cu rezistență scăzută. Acest lucru este posibil cu material catodic de fosfat la scară nano. Beneficiile cheie sunt evaluarea curentului ridicat și durata lungă de viață a ciclului, în afară de stabilitatea termică bună, siguranța crescută și toleranța în caz de abuz.

Li-fosfatul este mai tolerant la condițiile de încărcare completă și este mai puțin stresat decât alte sisteme litiu-ion dacă este ținut la tensiune înaltă pentru un timp prelungit. (A se vedea BU-808: Cum se prelungește bateriile pe bază de litiu ). Ca un compromis, tensiunea sa nominală mai mică de 3,2 V / celulă reduce energia specifică sub cea a litiu-ionului amestecat cu cobalt. La majoritatea bateriilor, temperatura rece reduce performanța și temperatura ridicată de depozitare scurtează durata de viață, iar Li-fosfatul nu face excepție. Li-fosfatul are o auto-descărcare mai mare decât alte baterii Li-ion, ceea ce poate cauza probleme de echilibrare cu îmbătrânirea. Acest lucru poate fi atenuat prin cumpărarea de celule de înaltă calitate și / sau utilizarea unor electronice de control sofisticate, ambele care măresc costul pachetului. Curățenia în producție este importantă pentru longevitate. Nu există toleranță la umiditate, pentru ca bateria să nu poată livra decât 50 de cicluri. Figura 9 rezumă atributele de Li-fosfat.

Li-fosfatul este adesea folosit pentru a înlocui bateria de pornire a acidului de plumb. Patru celule în serie produc 12,80 V, o tensiune similară a șase celule de plumb cu 2V în serie. Vehiculele taxează acidul de plumb la 14.40V (2.40V / celulă) și mențin o încărcătură de încărcare. Încărcarea maximă este aplicată pentru a menține nivelul complet de încărcare și a preveni sulfarea pe bateriile cu acid.

Cu patru celule Li-fosfat în serie, fiecare celulă se ridică la 3.60V, ceea ce reprezintă tensiunea corectă de încărcare completă. În acest moment, încărcarea ar trebui să fie deconectată, dar taxa de încărcare continuă în timpul conducerii. Li-fosfatul este tolerant la unele supraîncărcări; totuși, menținerea tensiunii la 14.40V pentru o perioadă lungă de timp, deoarece majoritatea vehiculelor fac o călătorie lungă, ar putea să-l streseze pe Li-fosfat. Timpul va indica cat de durabil Li-Phosphate va fi ca un inlocuitor de acid de plumb cu un sistem regulat de incarcare a vehiculelor. Temperatura rece, de asemenea, reduce performanța Li-ion și acest lucru ar putea afecta capacitatea de cranking în cazuri extreme.

Tabel rezumativ

Tabelul 10: Caracteristicile fosfatului de fier litiu.

Litiu nichel cobalt oxid de aluminiu (LiNiCoAlO ₂ )

Bateria de oxid de aluminiu cu cobalt de aluminiu cu nichel, sau NCA, a fost în jur de 1999, pentru aplicații speciale. El împărtășește asemănările cu NMC oferind o energie specifică ridicată, o putere specifică relativ bună și o durată lungă de viață. Mai puțin măgulitoare sunt siguranța și costul. Figura 11 rezumă cele șase caracteristici cheie. NCA este o dezvoltare ulterioară a oxidului de litiu-nichel; adăugarea de aluminiu dă chimiei o stabilitate mai mare.

Tabel rezumativ

Tabelul 12: Caracteristicile oxidului de aluminiu al nichelului de cobalt din litiu.

Titanatul de litiu (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Bateriile cu anozi de titanat de litiu au fost cunoscute începând cu anii 1980. Li-titanatul înlocuiește grafitul în anodul unei baterii tipice de litiu-ion și materialul se transformă într-o structură de spinel. Catodul poate fi oxid de litiu de mangan sau NMC. Li-titanatul are o tensiune nominală a celulei de 2.40 V, poate fi încărcată rapid și oferă un curent de descărcare mare de 10C sau de 10 ori capacitatea nominală. Se consideră că numărul de cicluri este mai mare decât cel al unui Li-ion obișnuit. Li-titanatul este sigur, are caracteristici excelente de descărcare la temperatură joasă și obține o capacitate de 80% la -30 ° C (-22 ° F).

LTO (în mod obișnuit Li4Ti ₅ O ₁₂ ) are avantaje față de Li-ionul obișnuit amestecat cu cobalt cu anodul de grafit prin atingerea proprietății de torsiune zero, fără formarea de film SEI și fără placare cu litiu atunci când se încarcă rapid și se încarcă la temperaturi scăzute. Stabilitatea termică la temperaturi înalte este de asemenea mai bună decât alte sisteme Li-ion; cu toate acestea, bateria este costisitoare. La doar 65Wh / kg, energia specifică este scăzută, în comparație cu energia NiCd. Li-titanatul se încarcă la 2.80V / celulă, iar sfârșitul descărcării este de 1.80V / celulă. Figura 13 ilustrează caracteristicile bateriei Li-titanate. Utilizările tipice sunt motoare electrice, UPS și iluminat stradal alimentat cu energie solară.
 

Tabel rezumativ

Tabelul 14: Caracteristicile titanatului de litiu.

Figura 15 compară energia specifică a sistemelor pe bază de plumb, nichel și litiu. În timp ce Li-aluminiu (NCA) este câștigătorul clar prin stocarea unei capacități mai mari decât alte sisteme, acest lucru se aplică numai energiei specifice. În ceea ce privește puterea specifică și stabilitatea termică, Li-manganul (LMO) și Li-fosfatul (LFP) sunt superioare. Li-titanatul (LTO) poate avea o capacitate scăzută, dar această chimie depășește majoritatea celorlalte baterii din punct de vedere al duratei de viață și are, de asemenea, cea mai bună performanță la temperaturi scăzute. Mergând spre sistemul de propulsie electrică, siguranța și ciclul de viață vor câștiga dominarea capacității. (LCO reprezintă Li-cobaltul, Li-ionul original.)

Figura 15: Energie specifică tipică a bateriilor pe bază de plumb, nichel și litiu.
ANC se bucură de cea mai mare energie specifică; totuși, manganul și fosfatul sunt superioare în ceea ce privește puterea specifică și stabilitatea termică. Li-titanatul are cea mai bună durată de viață.
^{Amabilitatea lui Cadex}