Видове литиево-йонни

Източник: https://batteryuniversity.com

Литий-йонът е кръстен на неговите активни материали; думите са написани изцяло или съкратени от техните химически символи. Серия от букви и цифри, нанизани заедно, може да бъде трудно за запомняне и дори по-трудна за произнасяне, а химикалите на батериите също са идентифицирани в съкратени букви.

Например, литиев кобалтов оксид, един от най-често срещаните Li-йони, има химически символи LiCoO ₂ и съкращението LCO. От съображения за простота, за тази батерия може да се използва и късата форма на Li-кобалт. Кобалтът е основният активен материал, който придава характер на батерията. На други литиево-йонни химии са дадени подобни имена с къса форма. Този раздел изброява шест от най-често срещаните Li-йони. Всички показания са средни оценки по време на писане.

Литиев кобалтов оксид (LiCoO ₂ )

Високата му специфична енергия прави Li-cobalt популярния избор за мобилни телефони, лаптопи и цифрови фотоапарати. Батерията се състои от катод от кобалтов оксид и графитен анод. Катодът има слоеста структура и по време на разряда литиевите йони преминават от анода към катода. Потокът се обръща при зареждане. Недостатъкът на Li-кобалт е относително кратък живот, ниска термична стабилност и ограничени възможности за натоварване (специфична мощност). Фигура 1 илюстрира структурата.

Недостатъкът на Li-кобалт е относително кратък живот, ниска термична стабилност и ограничени възможности за натоварване (специфична мощност). Подобно на други кобалтово-смесени литиево-йонни, Li-кобалтът има графитен анод, който ограничава живота на цикъла чрез промяна на интерфейса на твърд електролит (SEI) , сгъстяване на анода и литиево покритие при бързо зареждане и зареждане при ниска температура. По-новите системи включват никел, манган и / или алуминий за подобряване на дълголетието, възможностите за зареждане и разходите.

Li-кобалтът не трябва да се зарежда и разрежда при ток, по-висок от неговия С-рейтинг. Това означава, че клетка 18650 с 2400 mAh може да се зарежда и разрежда само при 2400 mA. Принуждаването на бързо зареждане или натоварването, което е по-високо от 2400 mA, причинява прегряване и прекомерно натоварване. За оптимално бързо зареждане, производителят препоръчва C-скорост от 0.8C или около 2000 mA. (Se BU-402: Какво е C-процент ). Задължителната схема за защита на батерията ограничава скоростта на зареждане и разреждане до безопасно ниво от около 1 ° С за енергийната клетка.

Шестоъгълната графика на паяка (Фигура 2) обобщава характеристиките на Li-кобалт по отношение на специфична енергия или капацитет, който се отнася до времето на работа; специфична мощност или способност за доставяне на висок ток; безопасност; производителност при високи и ниски температури; продължителността на живота, отразяваща жизнения цикъл и дълголетието; и разходи . Други интересни характеристики, които не са показани в паяжините, са токсичност, бързо зареждане, саморазряд и срок на годност. (Вижте BU-104c: Octagon Battery - Какво прави батерията батерия ).

Li-кобалтът губи полза от Li-манган, но особено NMC и NCA, поради високата цена на кобалта и подобрените резултати чрез смесване с други активни катодни материали. (Вижте описанието на NMC и NCA по-долу.)

Обобщена таблица

Таблица 3: Характеристики на литиев кобалтов оксид.

Литиев манганов оксид (LiMn ₂ O ₄ )

Литиево-йонният с манганов шпинел е публикуван за първи път в бюлетина за изследвания на материалите през 1983 г. През 1996 г. Moli Energy пуска на пазара литиево-йонна клетка с литиево-манганов оксид като катоден материал. Архитектурата образува триизмерна шпинелна структура, която подобрява йонния поток върху електрода, което води до по-ниско вътрешно съпротивление и подобрено управление на тока. Друго предимство на шпинела е високата термична стабилност и повишената безопасност, но цикълът и календарният живот са ограничени.

Ниското вътрешно съпротивление на клетките позволява бързо зареждане и разреждане на силен ток. В пакет 18650, Li-манганът може да се изхвърля при токове 20–30A с умерено нагряване. Възможно е също да се прилагат едносекундни импулси на натоварване до 50А. Непрекъснатото голямо натоварване при този ток би предизвикало натрупване на топлина и температурата на клетката не може да надвишава 80 ° C (176 ° F). Li-манганът се използва за електроинструменти, медицински инструменти, както и за хибридни и електрически превозни средства.

Фигура 4 илюстрира образуването на триизмерна кристална рамка върху катода на Li-манганова батерия. Тази шпинелова структура, която обикновено се състои от диамантени форми, свързани в решетка, се появява след първоначалното образуване.

Li-манганът има капацитет, който е с около една трета по-нисък от този на Li-кобалт. Гъвкавостта на конструкцията позволява на инженерите да максимизират батерията за оптимално дълголетие (живот), максимален ток на натоварване (специфична мощност) или висок капацитет (специфична енергия). Например, дълготрайната версия в клетката 18650 има умерен капацитет от само 1100 mAh; версията с голям капацитет е 1,500mAh.

Фигура 5 показва паяжината от типична Li-манганова батерия. Характеристиките изглеждат незначителни, но по-новите дизайни са се подобрили по отношение на специфична мощност, безопасност и продължителност на живота. Чистите литиево-манганови батерии днес не са често срещани; те могат да се използват само за специални приложения.

Повечето Li-манганови батерии се смесват с литиево-никелов манган кобалтов оксид (NMC) за подобряване на специфичната енергия и удължаване на живота. Тази комбинация показва най-доброто във всяка система, а LMO (NMC) е избрана за повечето електрически превозни средства, като Nissan Leaf, Chevy Volt и BMW i3. LMO частта на батерията, която може да бъде около 30 процента, осигурява голямо настоящо усилване на ускорението; частта NMC дава дълъг обхват на движение.

Изследванията на литиевите йони силно се стремят към комбиниране на Li-манган с кобалт, никел, манган и / или алуминий като активен катоден материал. В някои архитектури, малко количество силиций се добавя към анода. Това осигурява увеличаване на капацитета с 25%; Въпреки това, печалбата обикновено е свързана с по-кратък живот на цикъла, тъй като силиций расте и се свива с зареждане и разреждане, причинявайки механично напрежение.

Тези три активни метала, както и силиконовото подобрение могат удобно да бъдат избрани за повишаване на специфичната енергия (капацитет), специфична мощност (способност за натоварване) или дълголетие. Докато потребителските батерии са за висок капацитет, индустриалните приложения изискват акумулаторни системи, които имат добри възможности за зареждане, осигуряват дълъг живот и осигуряват безопасно и надеждно обслужване.

Обобщена таблица

Таблица 6: Характеристики на литиево-манганов оксид.

Литиево-никелов манганов кобалтов оксид (LiNiMnCoO ₂ или NMC)

Една от най-успешните литиево-йонни системи е катодна комбинация от никел-манганов-кобалт (NMC). Подобно на Li-манган, тези системи могат да бъдат пригодени за обслужване като енергийни клетки или енергийни клетки . Например, NMC в клетка 18650 за условия на умерено натоварване има капацитет от около 2,800 mAh и може да доставя 4А до 5А; NMC в същата клетка, оптимизирана за специфична мощност, има капацитет от само около 2000 mAh, но осигурява непрекъснат ток на разреждане от 20А. Анодът, базиран на силиций, ще стигне до 4000 mAh и по-висок, но при намалена способност за натоварване и по- кратък живот на цикъла. Силиконът, добавен към графита, има недостатъка, че анодът расте и се свива с заряд и разряд, което прави клетката механично нестабилна.

Тайната на NMC е в комбинирането на никел и манган. Аналогия на това е готварската сол, в която основните съставки, натрий и хлорид, са токсични, но смесването им служи като подправка на сол и хранителен консервант. Никелът е известен със своята висока специфична енергия, но с лоша стабилност; Манганът има предимството да образува шпинелова структура за постигане на ниско вътрешно съпротивление, но предлага ниска специфична енергия. Комбинирането на металите подобрява взаимно силните страни.

NMC е предпочитаната батерия за електрически инструменти, електронни велосипеди и други електрически двигатели. Катодната комбинация е обикновено една трета никел, една трета манган и една трета кобалт, известен също като 1-1-1. Това предлага уникална смес, която също намалява разходите за суровини поради намаленото съдържание на кобалт. Друга успешна комбинация е NCM с 5 части никел, 3 части кобалт и 2 части манган (5-3-2). Възможни са и други комбинации, използващи различни количества катодни материали.

Производителите на батерии се отдалечават от кобалтовите системи към никеловите катоди поради високата цена на кобалта. Системите на базата на никел имат по-висока енергийна плътност, по-ниска цена и по-дълъг цикъл на живот, отколкото кобалтовите клетки, но имат малко по-ниско напрежение.

Нови електролити и добавки позволяват зареждане до 4.4V / клетка и по-високо за повишаване на капацитета. Фигура 7 показва характеристиките на NMC.

Налице е преход към литиево-йонна смес, смесена с NMC, тъй като системата може да бъде изградена икономично и постига добро представяне. Трите активни вещества от никел, манган и кобалт могат лесно да бъдат смесени, за да отговарят на широк спектър от приложения за автомобилни и енергийни системи за съхранение на енергия (ЕЕУ), които изискват често колоездене. Семейството NMC се разраства в своето разнообразие.

Обобщена таблица

Таблица 8: Характеристики на литиево-никелов манган кобалтов оксид (NMC).

Литиев железен фосфат (LiFePO ₄ )

През 1996 г. Тексаският университет (и други участници) откриха фосфат като катоден материал за акумулаторни литиеви батерии. Li-фосфатът предлага добри електрохимични характеристики с ниско съпротивление. Това става възможно с помощта на наномащабен фосфатен катоден материал. Ключовите предимства са високата текуща оценка и дългия цикъл на живот, освен добрата термична стабилност, повишената безопасност и толеранс при злоупотреба.

Li-фосфатът е по-толерантен към условията на пълно зареждане и е по-малко напрегнат от други литиево-йонни системи, ако се поддържа високо напрежение за продължително време. (Вижте BU-808: Как да се удължат литиево-базираните батерии ). Като компромис, неговото по-ниско номинално напрежение от 3.2V / клетка намалява специфичната енергия под тази на литиево-йонната смес с кобалт. При повечето батерии студената температура намалява производителността и повишената температура на съхранение съкращава експлоатационния живот, а Li-фосфатът не е изключение. Li-фосфатът има по-високо саморазреждане в сравнение с други литиево-йонни батерии, което може да предизвика проблеми със стареенето. Това може да бъде смекчено чрез закупуване на висококачествени клетки и / или използване на сложна контролна електроника, като и двете увеличават цената на опаковката. Чистотата в производството е от значение за дълголетието. Няма толеранс за влага, за да не се получи само 50 цикъла. Фигура 9 обобщава атрибутите на Li-фосфат.

Литиевият фосфат често се използва за замяна на батерията с оловна киселина. Четири клетки в серия произвеждат 12.80V, подобно на шест 2V оловни киселинни клетки в серия. Превозните средства зареждат свинска киселина до 14.40V (2.40V / клетка) и поддържат заряда. Зареждането се поставя за поддържане на пълно ниво на заряд и предотвратяване на сулфатирането на киселинни акумулатори.

С четири Li-фосфатни клетки в серия, всяка клетка върхове на 3.60V, което е правилното пълно зареждане напрежение. В този момент зарядът трябва да бъде изключен, но зареждането с топинг продължава по време на шофиране. Li-фосфатът е толерантен към някои надценки; въпреки това, запазването на напрежението при 14.40V за продължителен период от време, както повечето превозни средства правят по време на дълъг път, може да повлияе на Li-фосфата. Времето ще покаже колко траен Li-фосфат ще бъде като заместител на оловната киселина с редовна система за зареждане на превозни средства. Студената температура също намалява производителността на Li-ion и това може да повлияе на способността за задвижване в екстремни случаи.

Обобщена таблица

Таблица 10: Характеристики на литиев железен фосфат.

Литиево-никелов кобалтов алуминиев оксид (LiNiCoAlO ₂ )

Батерия от литиево-никелов кобалтов алуминиев оксид, или NCA, съществува от 1999 г. за специални приложения. Той споделя сходства с NMC, като предлага висока специфична енергия, сравнително добра специфична мощност и дълъг живот. По-малко ласкателни са безопасността и цената. Фигура 11 обобщава шестте ключови характеристики. НКО е по-нататъшно развитие на литиево-никелов оксид; добавянето на алуминий дава на химията по-голяма стабилност.

Обобщена таблица

Таблица 12: Характеристики на литиево-никелов кобалтов алуминиев оксид.

Литиев титанат (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

От 80-те години на миналия век са известни батерии с аноди от литиев титанат. Li-титанатът замества графита в анода на типична литиево-йонна батерия и материалът се превръща в шпинелова структура. Катодът може да бъде литиево-манганов оксид или NMC. Li-титанатът има номинално напрежение на клетката от 2.40V, може да бъде бързо заредено и осигурява висок ток на разреждане от 10C, или 10 пъти номиналния капацитет. Цикълът на цикъла е по-висок от този на обикновен Li-ion. Li-титанатът е безопасен, има отлични характеристики при ниска температура и има капацитет от 80% при –30 ° C (–22 ° F).

LTO (обикновено Li4Ti5O12) има предимства пред конвенционалния литиево-йон, смесен с кобалт, с графитен анод чрез постигане на нулево напрежение, без образуване на SEI филм и без литиево покритие при бързо зареждане и зареждане при ниска температура. Термичната стабилност при висока температура също е по-добра от другите литиево-йонни системи; батерията е скъпа. При само 65Wh / kg специфичната енергия е ниска, съпоставяйки се с тази на NiCd. Li-titanate такси до 2.80V / клетка, а краят на разреждането е 1.80V / клетка. Фигура 13 илюстрира характеристиките на Li-титанатната батерия. Типични приложения са електрически двигатели, UPS и улично осветление на слънчева енергия.
 

Обобщена таблица

Таблица 14: Характеристики на литиев титанат.

Фигура 15 сравнява специфичната енергия на системи на база олово, никел и литий. Докато литиево-алуминиевият (NCA) е ясен победител чрез съхраняване на повече капацитет от другите системи, това се отнася само за специфична енергия. По отношение на специфичната мощност и термична стабилност, Li-манганът (LMO) и Li-фосфатът (LFP) са по-добри. Li-титанатът (LTO) може да има нисък капацитет, но тази химия надживява повечето други батерии по отношение на продължителността на живота и също така има най-добрата производителност при студена температура. Придвижването към електрическото задвижване, безопасността и жизнения цикъл ще придобият господство над капацитета. (LCO означава Li-кобалт, оригиналния Li-ion).

Фигура 15: Типична специфична енергия на батериите на база олово, никел и литий.
НКО се радва на най-висока специфична енергия; обаче манганът и фосфатът са по-добри по отношение на специфична мощност и термична стабилност. Li-титанатът има най-добър живот.
^{С любезното съдействие на Cadex}