Typer af lithiumion

Kilde: https://batteryuniversity.com

Lithium-ion er opkaldt efter dets aktive materialer; ordene er enten skrevet i fuld eller forkortet af deres kemiske symboler. En række bogstaver og tal strengt sammen kan være svært at huske og endnu sværere at udtale, og batterikemikalier identificeres også med forkortede bogstaver.

For eksempel har lithiumcobaltoxid, en af de mest almindelige Li-ioner, de kemiske symboler LiCoO ₂ og forkortelsen LCO. Af enkelheds skyld kan den korte form Li-cobalt også bruges til dette batteri. Cobalt er det vigtigste aktive materiale, som giver dette batterityde. Andre Li-ion-kemikalier gives tilsvarende kortformede navne. Dette afsnit indeholder seks af de mest almindelige Li-ioner. Alle aflæsninger er gennemsnitlige estimater ved skrivningstidspunktet.

Litiumcobaltoxid (LiCoO2)

Den høje specifikke energi gør Li-kobolt til det populære valg til mobiltelefoner, bærbare computere og digitale kameraer. Batteriet består af en koboltoxidkatode og en grafit carbonanode. Katoden har en lagdelt struktur, og under udladning bevæger lithiumioner fra anoden til katoden. Strømmen vender tilbage ved opladning. Ulempen ved Li-kobolt er en relativt kort levetid, lav termisk stabilitet og begrænsede belastningsmuligheder (specifik kraft). Figur 1 illustrerer strukturen.

Ulempen ved Li-kobolt er en relativt kort levetid, lav termisk stabilitet og begrænsede belastningsmuligheder (specifik kraft). Ligesom anden koboltblandet Li-ion har Li-kobolt en grafitanode, der begrænser cykluslivet med en skiftende fast elektrolytgrænseflade (SEI) , fortykkelse på anoden og lithiumplettering, mens der hurtigt oplades og oplades ved lav temperatur. Nyere systemer omfatter nikkel, mangan og / eller aluminium for at forbedre levetiden, lasteevne og omkostninger.

Li-kobolt bør ikke opkræves og udledes ved en strøm, der er højere end dens C-rating. Det betyder, at en 18650 celle med 2.400mAh kun kan oplades og aflades ved 2.400mA. At tvinge en hurtig opladning eller anvende en belastning på over 2.400mA forårsager overophedning og unødig stress. For optimal hurtig opladning anbefaler fabrikanten en C-hastighed på 0,8C eller ca. 2.000mA. (Se e BU-402: Hvad er C-sats ). Det obligatoriske batteribeskyttelseskredsløb begrænser ladning og udladning til et sikkert niveau på ca. 1C for energicellen.

Den hexagonale edderkop-grafik (Figur 2) opsummerer præstationen af Li-cobalt med hensyn til specifik energi eller kapacitet, der vedrører runtime; specifik strøm eller evnen til at levere høj strøm; sikkerhed; ydeevne ved varme og kolde temperaturer levetid afspejler cyklus liv og levetid og omkostninger . Andre egenskaber af interesse, der ikke er vist i spindelbanerne, er toksicitet, hurtige ladningsmuligheder, selvudladning og holdbarhed. (Se BU-104c: Octagon-batteriet - hvad laver et batteri et batteri ).

Li-kobolt mister fordel til Li-mangan, men især NMC og NCA på grund af de høje omkostninger ved kobolt og forbedret ydeevne ved blanding med andre aktive katodematerialer. (Se beskrivelse af NMC og NCA nedenfor.)

Sammenfattende tabel

Tabel 3: Karakteristik af lithium koboltoxid.

Litium Manganoxid (LiMn204)

Li-ion med manganspirel blev først offentliggjort i Material Research Bulletin i 1983. I 1996 markedsførte Moli Energy en Li-ion celle med lithium manganoxid som katode materiale. Arkitekturen danner en tredimensionel spinelstruktur, der forbedrer ionstrømmen på elektroden, hvilket resulterer i lavere indre modstand og forbedret strømhåndtering. En yderligere fordel ved spinel er høj termisk stabilitet og forbedret sikkerhed, men cyklus- og kalenderlivet er begrænset.

Lav intern cellebestandighed muliggør hurtig opladning og højstrømudladning. I en 18650-pakke kan Li-mangan udledes ved strømme på 20-30A med moderat varmeopbygning. Det er også muligt at anvende en sekunds belastningsimpulser på op til 50A. En kontinuerlig høj belastning ved denne strøm ville forårsage varmeopbygning, og celletemperaturen må ikke overstige 80 ° C (176 ° F). Li-mangan bruges til elværktøj, medicinske instrumenter samt hybrid- og elbiler.

Figur 4 illustrerer dannelsen af en tredimensionel krystallinsk ramme på katoden af et Li-manganbatteri. Denne spinelstruktur, som normalt består af diamantformer, der er forbundet til et gitter, fremkommer efter indledende dannelse.

Li-mangan har en kapacitet, der er ca. en tredjedel lavere end Li-kobolt. Design fleksibilitet gør det muligt for ingeniører at maksimere batteriet for enten optimal levetid (levetid), maksimal belastningsstrøm (specifik strøm) eller høj kapacitet (specifik energi). For eksempel har langlivet versionen i 18650 cellen en moderat kapacitet på kun 1.100mAh; Højkapacitetsversionen er 1.500mAh.

Figur 5 viser spindelbanen af et typisk Li-manganbatteri. Karakteristikaene ser ud til at være marginale, men nyere design er forbedret med hensyn til specifik strøm, sikkerhed og levetid. Pure Li-manganbatterier er ikke længere almindelige i dag; De må kun bruges til specielle applikationer.

De fleste Li-mangan batterier blandes med lithium nikkel mangan kobolt oxid (NMC) for at forbedre den specifikke energi og forlænge levetiden. Denne kombination bringer det bedste ud i hvert system, og LMO (NMC) er valgt til de fleste elbiler, såsom Nissan Leaf, Chevy Volt og BMW i3. LMO-delen af batteriet, som kan være omkring 30 procent, giver høj strømforøgelse ved acceleration; NMC-delen giver det lange driving range.

Li-ion-forskning graviterer stærkt mod at kombinere Li-mangan med kobolt, nikkel, mangan og / eller aluminium som aktivt katodemateriale. I nogle arkitekturer tilføjes en lille mængde silicium til anoden. Dette giver en 25 procent kapacitetsforøgelse; gevinsten er dog normalt forbundet med et kortere cyklusliv, da silicium vokser og krymper med ladning og udladning, hvilket forårsager mekanisk stress.

Disse tre aktive metaller såvel som siliciumforøgelsen kan hensigtsmæssigt vælges for at forbedre den specifikke energi (kapacitet), specifik effekt (belastningsevne) eller levetid. Mens forbrugerbatterier går for høj kapacitet, kræver industrielle applikationer batterisystemer, der har gode lasteevne, giver lang levetid og giver en sikker og pålidelig service.

Sammenfattende tabel

Tabel 6: Karakteristik af lithium Manganoxid.

Lithiumnikkel Mangan Cobalt Oxid (LiNiMnCoO2 eller NMC)

Et af de mest succesrige Li-ion-systemer er en katodekombination af nikkel-mangan-kobolt (NMC). På samme måde som Li-mangan kan disse systemer skræddersys til service som energiceller eller strømceller . For eksempel har NMC i en 18650-celle til moderat belastningstilstand en kapacitet på ca. 2.800mAh og kan levere 4A til 5A; NMC i samme celle optimeret til specifik strøm har en kapacitet på kun ca. 2.000mAh, men leverer en kontinuerlig udladningsstrøm på 20A. En siliciumbaseret anode vil gå til 4.000mAh og højere, men med reduceret loadin g kapacitet og kortere cykellevetid . Silikium tilsat til grafit har den ulempe, at anoden vokser og krymper med ladning og udladning, hvilket gør cellen mekanisk ustabil.

Hemmeligheden ved NMC ligger i at kombinere nikkel og mangan. En analogi med dette er bordsalt, hvor hovedingredienserne, natrium og chlorid, er giftige alene, men at blande dem tjener som krydderalt salt og madpræparat. Nikkel er kendt for sin høje specifikke energi men dårlig stabilitet; mangan har den fordel at danne en spinelstruktur for at opnå lav indre modstand, men tilbyder en lav specifik energi. Kombination af metallerne styrker hinanden styrker.

NMC er det valgte batteri til elværktøj, e-cykler og andre elektriske motorkøretøjer. Katodkombinationen er typisk en tredjedel nikkel, en tredjedel mangan og en tredjedel kobolt, også kendt som 1-1-1. Dette giver en unik blanding, der også sænker råvareomkostningerne på grund af reduceret koboltindhold. En anden succesfuld kombination er NCM med 5 dele nikkel, 3 dele kobolt og 2 dele mangan (5-3-2). Andre kombinationer, der anvender forskellige mængder af katodematerialer, er mulige.

Batteriproducenter flytter væk fra koboltsystemer mod nikkelkatoder på grund af de høje omkostninger ved kobolt. Nikkelbaserede systemer har højere energitæthed, lavere omkostninger og længere cykellængde end de koboltbaserede celler, men de har en lidt lavere spænding.

Nye elektrolytter og additiver muliggør opladning til 4,4V / celle og højere for at øge kapaciteten. Figur 7 viser NMC's egenskaber.

Der er et skridt mod NMC-blended Li-ion, da systemet kan bygges økonomisk og det opnår en god præstation. De tre aktive materialer af nikkel, mangan og kobolt kan let blandes, så de passer til en lang række anvendelser til bil- og energilagringssystemer (EEA), der kræver hyppig cykling. NMC-familien vokser i sin mangfoldighed.

Sammenfattende tabel

Tabel 8: Karakteristik af lithium nikkel mangan koboltoxid (NMC).

Lithium jernphosphat (LiFePO ₄ )

I 1996 opdagede University of Texas (og andre bidragsydere) fosfat som katodemateriale til genopladelige lithiumbatterier. Li-phosphat giver god elektrokemisk ydelse med lav modstand. Dette gøres muligt med nano-skala fosfat katode materiale. De væsentligste fordele er høj nuværende vurdering og lang levetid, udover god termisk stabilitet, forbedret sikkerhed og tolerance, hvis misbrugt.

Li-phosphat er mere tolerant over for fuld ladningsbetingelser og er mindre stresset end andre lithium-ion-systemer, hvis de holdes ved højspænding i længere tid. (Se BU-808: Sådan forlænges lithium-baserede batterier ). Som en afvejning reducerer den lavere nominelle spænding på 3,2 V / celle den specifikke energi under den af koboltblandet lithiumion. Med de fleste batterier reducerer kold temperatur ydeevne, og forhøjet opbevaringstemperatur forkorter levetiden, og Li-phosphat er ingen undtagelse. Li-phosphat har en højere selvudladning end andre Li-ion-batterier, hvilket kan forårsage balancering af problemer med aldring. Dette kan mildnes ved at købe celler af høj kvalitet og / eller ved hjælp af sofistikeret kontrolelektronik, der begge øger omkostningerne ved pakken. Rensning i fremstillingen er af betydning for lang levetid. Der er ingen tolerance for fugt, så batteriet kun leverer 50 cykler. Figur 9 opsummerer attributterne af Li-phosphat.

Li-phosphat bruges ofte til at erstatte blybatteriet batteri. Fire celler i serie producerer 12.80V, en tilsvarende spænding til seks 2V bly-syreceller i serie. Køretøjer oplader bly syre til 14,40V (2,40V / celle) og opretholder en topping charge. Topping charge anvendes for at opretholde fuldt opladningsniveau og forhindre sulfatering på batterier.

Med fire Li-phosphatceller i serie, hver celle toppe på 3,60V, hvilket er den korrekte fuldadspænding. På dette tidspunkt skal opladningen afbrydes, men topping-afgiften fortsætter under kørslen. Li-phosphat er tolerant overfor noget overladning; Imidlertid kan spændingen ved 14.40V i længere tid, som de fleste køretøjer gør på en lang biltur, kunne stresse Li-phosphat. Tiden vil fortælle, hvordan holdbart Li-Phosphate vil være som en ledesyreudskiftning med et regelmæssigt køretøjsladningssystem. Koldtemperatur reducerer også ydeevnen af Li-ion, og dette kan påvirke cranking-evnen i ekstreme tilfælde.

Sammenfattende tabel

Tabel 10: Karakteristik af lithiumjernphosphat.

Lithiumnikkelcobalt Aluminiumoxid (LiNiCoAlO2)

Lithium nikkel kobolt aluminiumoxid batteri, eller NCA, har eksisteret siden 1999 til specielle anvendelser. Det deler ligheder med NMC ved at tilbyde høj specifik energi, rimelig god specifik strøm og en lang levetid. Mindre smigrende er sikkerhed og omkostninger. Figur 11 opsummerer de seks nøgleegenskaber. NCA er en videreudvikling af lithium nikkeloxid; Tilsætning af aluminium giver kemien større stabilitet.

Sammenfattende tabel

Tabel 12: Karakteristik af lithiumnikkelcobaltaluminiumoxid.

Litiumtitanat (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Batterier med lithiumtitanatanoder har været kendt siden 1980'erne. Li-titanat erstatter grafitten i anoden af et typisk lithiumionbatteri, og materialet dannes til en spinelstruktur. Katoden kan være lithiummanganoxid eller NMC. Li-titanat har en nominel celle spænding på 2,40V, kan hurtigt oplades og leverer en høj udladningsstrøm på 10C eller 10 gange den nominelle kapacitet. Cykeltællingen siges at være højere end for en almindelig Li-ion. Li-titanat er sikkert, har fremragende lavtemperaturudladningskarakteristika og opnår en kapacitet på 80 procent ved -30 ° C (-22 ° F).

LTO (almindeligvis Li4Ti5O12) har fordele i forhold til den konventionelle koboltblandede Li-ion med grafitanod ved at opnå nulstammeegenskab, ingen SEI-filmdannelse og ingen lithiumplettering ved hurtig opladning og opladning ved lav temperatur. Termisk stabilitet under høj temperatur er også bedre end andre Li-ion systemer; Batteriet er dog dyrt. Ved kun 65Wh / kg er den specifikke energi lav, der riverer den af NiCd. Li-titanatafgifter til 2,80 V / celle, og slutningen af afladning er 1,80 V / celle. Figur 13 illustrerer karakteristikaene for Li-titanatbatteriet. Typiske anvendelser er elstrømsbaner, UPS og soldrevne gadebelysning.
 

Sammenfattende tabel

Tabel 14: Karakteristik af lithiumtitanat.

Figur 15 sammenligner den specifikke energi af bly-, nikkel- og lithiumbaserede systemer. Mens Li-aluminium (NCA) er den klare vinder ved at lagre mere kapacitet end andre systemer, gælder dette kun for specifik energi. Med hensyn til specifik strøm- og termisk stabilitet er Li-mangan (LMO) og Li-phosphat (LFP) overlegen. Li-titanat (LTO) kan have lav kapacitet, men denne kemi overlever de fleste andre batterier med hensyn til levetid og har også den bedste koldtemperatur ydeevne. Flytning i retning af det elektriske drivværk, sikkerhed og cyklus liv vil få dominans over kapacitet. (LCO står for Li-kobolt, den oprindelige Li-ion.)

Figur 15: Typisk specifik energi af bly-, nikkel- og lithiumbaserede batterier.
NCA har den højeste specifikke energi; Mangan og phosphat er imidlertid overlegne hvad angår specifik strøm- og termisk stabilitet. Li-titanat har det bedste levetid.
^Cadex