Typy lithium-iontů

Zdroj: https://batteryuniversity.com

Lithium-ion je pojmenován pro své aktivní materiály; slova jsou buď úplně nebo zkrácena jejich chemickými symboly. Řada písmen a čísel spojených dohromady může být obtížně zapamatovatelná a dokonce těžší vyslovovat a chemické prvky pro baterie jsou také označeny zkrácenými písmeny.

Například oxid lithný kobaltu, jeden z nejběžnějších Li-ionů, má chemické symboly LiCoO ₂ a zkratku LCO. Z důvodů jednoduchosti může být pro tento akumulátor použita i krátká forma Li-kobalt. Kobalt je hlavní aktivní materiál, který dává tomuto znaku baterie. Jiné chemické látky Li-ion jsou označeny podobnými zkrácenými názvy. Tato část obsahuje seznam šesti nejběžnějších Li-ionů. Všechna čtení jsou průměrné odhady v době psaní.

Oxid lithný kobaltu (LiCoO ₂ )

Jeho vysoká specifická energie činí Li-kobalt populární volbou pro mobilní telefony, notebooky a digitální fotoaparáty. Baterie se skládají z katody oxidu kobaltnatého a uhlíkové anody z grafitu. Katoda má vrstvenou strukturu a při výboji se ionty lithia pohybují od anody k katodě. Průtok se obrátí po nabití. Nevýhodou Li-kobaltu je relativně krátká životnost, nízká tepelná stabilita a omezené zatížení (specifický výkon). Obrázek 1 znázorňuje strukturu.

Nevýhodou Li-kobaltu je relativně krátká životnost, nízká tepelná stabilita a omezené zatížení (specifický výkon). Stejně jako ostatní Li-iony míchané kobaltem má Li-kobalt grafitovou anodu, která omezuje životnost cyklu měnícím se pevným elektrolytickým rozhraním (SEI) , zesílení na anodě a lithiem, zatímco se rychle nabíjí a nabíjí při nízké teplotě. Novější systémy zahrnují nikl, mangan a / nebo hliník, které zlepšují životnost, zatížení a náklady.

Li-kobalt by neměl být nabíjen a vybíjen při proudu vyšší než jeho C-rating. To znamená, že buňku 18650 s výkonem 2400 mAh lze nabíjet a vybíjet pouze při výkonu 2 400 mA. Vynucení rychlého nabití nebo zatížení vyšší než 2 400 mA způsobuje přehřátí a nadměrné namáhání. Pro optimální rychlé nabití doporučuje výrobce C-rychlost 0,8 C nebo asi 2 000 mA. (Je BU-402: Co je C-rychlost ). Povinný ochranný obvod baterie omezuje rychlost nabití a vybití na bezpečnou úroveň přibližně 1 ° C pro energetickou buňku.

Grafika šestiúhelníkového pavouka (obrázek 2) shrnuje výkon Li-kobaltu z hlediska specifické energie nebo kapacity, která se vztahuje k době běhu; specifický výkon nebo schopnost dodat vysoký proud; bezpečnost; výkon při horkých a chladných teplotách; životnost, která odráží životnost cyklu a životnost; a náklady . Dalšími zajímavými vlastnostmi, které nejsou v pavučích zobrazeny, jsou toxicita, schopnosti rychlého nabití, samovybíjení a skladovatelnost. (Viz BU-104c: Baterie Octagon - Co dělá baterii baterií ).

Li-kobalt ztrácí přízeň Li-manganu, ale především NMC a NCA kvůli vysokým nákladům na kobalt a zlepšené výkonnosti smícháním s jinými aktivními katodovými materiály. (Viz popis NMC a NCA níže.)

Souhrnná tabulka

Tabulka 3: Charakteristiky oxidu lithného kobaltu.

Oxid lithný manganu (LiMn ₂ O ₄ )

Li-ion s manganovým spinelem byl poprvé publikován ve Vědeckém výzkumném bulletinu v roce 1983. V roce 1996 společnost Moli Energy komercializovala lithium-iontovou buňku s oxidem lithným manganem jako katodovým materiálem. Architektura tvoří trojrozměrnou spinelovou strukturu, která zlepšuje iontový průtok na elektrodě, což vede k nižšímu vnitřnímu odporu a lepší manipulaci s proudem. Další výhodou spinelu je vysoká tepelná stabilita a zvýšená bezpečnost, ale cyklus a životnost kalendáře jsou omezené.

Nízký vnitřní odpor článků umožňuje rychlé nabíjení a vysoký proud. V balení 18650 může být Li-mangan vypuštěn při proudech 20-30A se středním přírůstkem tepla. Také je možné použít zatěžovací impulsy o délce jednoho sekundy do 50A. Neustálé vysoké zatížení při tomto proudu by mohlo způsobit nahromadění tepla a teplota článku by neměla překročit 80 ° C (176 ° F). Li-mangan se používá pro elektrické nářadí, lékařské přístroje, stejně jako hybridní a elektrická vozidla.

Obr. 4 znázorňuje vytvoření trojrozměrné krystalické kostry na katodě baterie Li-manganu. Tato spinelová struktura, která je obvykle tvořena diamantovými tvary spojenými do mřížky, se objeví po počáteční tvorbě.

Li-mangan má kapacitu, která je zhruba o třetinu nižší než Li-kobalt. Flexibilita návrhu umožňuje inženýrům maximalizovat akumulátor buď pro optimální životnost (životnost), maximální zatěžovací proud (specifický výkon) nebo vysoký výkon (specifická energie). Například verze s dlouhou životností v buňce 18650 má střední kapacitu pouze 1100 mAh; vysokokapacitní verze je 1500mAh.

Obrázek 5 ukazuje pavučinu typické Li-manganové baterie. Charakteristiky se objevují okrajově, ale novější konstrukce se zlepšily z hlediska specifického výkonu, bezpečnosti a životnosti. Čisté lithium-manganové baterie již nejsou běžné; mohou být použity pouze pro speciální aplikace.

Většina Li-manganových baterií se smíchá s lithium-niklem manganem kobaltovým oxidem (NMC), který zlepšuje specifickou energii a prodlužuje životnost. Tato kombinace přináší to nejlepší v každém systému a LMO (NMC) je vybrán pro většinu elektrických vozidel, jako jsou Nissan Leaf, Chevy Volt a BMW i3. Část akumulátoru LMO, která může být asi 30 procent, zajišťuje vysoký proudový zrychlení; Část NMC udává dlouhý rozsah jízdy.

Výzkum Li-ionu silně gravituje směrem k kombinaci Li-manganu s kobaltem, niklem, manganem a / nebo hliníkem jako aktivní katodový materiál. V některé architektuře je do anody přidáno malé množství křemíku. To poskytuje 25% zvýšení kapacity; zisk je však obvykle spojen s kratší životností cyklu, protože křemík roste a zmenšuje se nábojem a výbojem, což způsobuje mechanické namáhání.

Tyto tři aktivní kovy, stejně jako silikonové zesílení lze pohodlně zvolit tak, aby zvyšovaly specifickou energii (kapacitu), specifický výkon (schopnost zatížení) nebo dlouhověkost. Zatímco spotřební baterie nabízejí vysokou kapacitu, průmyslové aplikace vyžadují systémy baterií, které mají dobré zatěžovací schopnosti, poskytují dlouhou životnost a poskytují bezpečnou a spolehlivou službu.

Souhrnná tabulka

Tabulka 6: Charakteristiky oxidu lithného manganu.

Lithium nikl mangan oxid kobaltu (LiNiMnCoO ₂ nebo NMC)

Jedním z nejúspěšnějších Li-iontových systémů je katodová kombinace nikl-mangan-kobalt (NMC). Podobně jako u Li-manganu mohou být tyto systémy přizpůsobeny jako energetické buňky nebo energetické buňky . Například NMC v buňce 18650 pro střední zatížení má kapacitu přibližně 2800 mAh a může přenášet 4A až 5A; NMC ve stejné buňce optimalizované pro konkrétní výkon má kapacitu pouze asi 2000 mAh, ale přináší trvalý výbojový proud 20 A. Anoda na bázi křemíku bude dosahovat až 4 000 mAh a vyšší, ale při snížené kapacitě zátěže a kratší životnosti. Křemík přidaný do grafitu má nevýhodu, že anoda roste a zmenšuje nábojem a vybitím, čímž je buňka mechanicky nestabilní.

Tajemství NMC spočívá v kombinaci niklu a manganu. Analogií toho je stolní sůl, ve které hlavní složky sodíku a chloridu jsou toxické samy o sobě, ale jejich míchání slouží jako ochucovací sůl a potravinářský konzervátor. Nikl je známý svou vysokou specifickou energií, ale špatnou stabilitou; mangan má výhodu při vytváření spinelové struktury pro dosažení nízkého vnitřního odporu, ale nabízí nízkou specifickou energii. Kombinace kovů zvyšuje vzájemné síly.

NMC je vybavenou baterií pro elektrické nářadí, elektronická kola a další elektrické pohony. Kombinace katod je obvykle jedna třetina niklu, jedna třetina manganu a jeden třetin kobaltu, také známý jako 1-1-1. To nabízí jedinečnou směs, která také snižuje náklady na surovinu kvůli sníženému obsahu kobaltu. Další úspěšná kombinace je NCM s 5 díly niklu, 3 díly kobaltu a 2 díly manganu (5-3-2). Jsou možné i jiné kombinace s použitím různých množství katodových materiálů.

Výrobci baterií odcházejí od systémů kobaltu k niklovým katodám kvůli vysokým nákladům na kobalt. Systémy na bázi niklu mají vyšší energetickou hustotu, nižší náklady a delší životnost než kobaltové buňky, ale mají mírně nižší napětí.

Nové elektrolyty a přísady umožňují nabíjení až na 4,4V / buňku a vyšší pro zvýšení kapacity. Obrázek 7 ukazuje charakteristiky NMC.

Dochází k posunu směrem k směšovanému Li-ionu NMC, protože systém může být vybudován ekonomicky a dosahuje dobrého výkonu. Tři aktivní materiály niklu, manganu a kobaltu lze snadno smíchat tak, aby vyhovovaly širokému spektru aplikací pro automobilové a energetické skladovací systémy (EES), které potřebují časté cyklování. Rodina NMC roste v rozmanitosti.

Souhrnná tabulka

Tabulka 8: Vlastnosti lithium-niklu manganového kobaltu (NMC).

Lithium-železitý fosfát (LiFePO ₄ )

V roce 1996 University of Texas (a další přispěvatelé) objevili fosfát jako katodový materiál pro dobíjecí lithiové baterie. Li-fosfát nabízí dobrý elektrochemický výkon s nízkým odporem. To je možné s nanočásticovým materiálem fosfátové katody. Klíčovým přínosem je vysoký proudový výkon a dlouhá životnost, kromě dobré tepelné stability, zvýšené bezpečnosti a tolerance v případě zneužití.

Li-fosfát je odolnější vůči podmínkám plného nabití a je méně namáhaný než jiné lithium-iontové systémy, pokud jsou udržovány na vysokém napětí po delší dobu. (Viz BU-808: Jak prodlužovat baterie na bázi lithia ). Jako kompromis snižuje jeho nižší jmenovité napětí 3,2 V / článek specifickou energii, která je nižší než u lithia iontů míchaných kobaltem. U většiny baterií zkracuje studená teplota výkon a zvýšená skladovací teplota zkracuje životnost a Li-fosfát není výjimkou. Li-fosfát má vyšší samovybíjení než ostatní lithium-iontové baterie, což může způsobit stárnutí. To může být zmírněno kupováním vysoce kvalitních buněk a / nebo použitím sofistikované řídicí elektroniky, z nichž obě zvyšují náklady na balení. Čistota ve výrobě je důležitá pro dlouhověkost. Neexistuje žádná tolerance vlhkosti, protože baterie nebude dodávat pouze 50 cyklů. Obrázek 9 shrnuje atributy Li-fosfátu.

Li-fosfát se často používá k nahrazení olověné startovací baterie. Čtyři články v sérii produkují 12.80V, podobné napětí na šest 2V olověných článků v sérii. Vozidla nabíjení olověné kyseliny na 14,40 V (2,40 V / článek) a udržovat topping náboj. Nabíjecí náplň se používá k udržení plného nabití a zabraňuje sulfataci na kyselých bateriích.

Se čtyřmi Li-fosfátovými články v sérii, každá buňka vrcholí na 3,60V, což je správné plné napětí. V tomto okamžiku by mělo být nabíjení odpojeno, avšak dobíjení pokračuje během jízdy. Li-fosfát je tolerantní k nějakému přetížení; avšak udržování napětí na 14,40 V po delší dobu, jak většina vozidel dělá na dlouhé cestě, by mohla zdůraznit Li-fosfát. Čas sdělí, jak odolný Li-fosfát bude jako náhrada olova s pravidelným nabíjecím systémem. Studená teplota také snižuje výkon Li-ionu a v extrémních případech by to mohlo ovlivnit schopnost spouštění.

Souhrnná tabulka

Tabulka 10: Charakteristiky fosforečnanu litného.

Lithiový nikl kobaltový oxid hlinitý (LiNiCoAlO ₂ )

Lithium-nikel-kobalt-oxid hlinitý, nebo NCA, je od roku 1999 pro speciální aplikace. Sdílí podobnosti s NMC tím, že nabízí vysokou specifickou energii, poměrně dobrou specifickou sílu a dlouhou životností. Méně lichotivé jsou bezpečnost a náklady. Obrázek 11 shrnuje šest klíčových charakteristik. NCA je další vývoj oxidu lithného niklu; přidání hliníku dává chemii větší stabilitu.

Souhrnná tabulka

Tabulka 12: Vlastnosti lithiového niklu a oxidu hlinitého kobaltu.

Lithium Titanate (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Baterie s anody z titanitanu lithného jsou známy již od 80. let. Li-titanát nahrazuje grafit v anodě typické lithium-iontové baterie a materiál se tvoří v spinelové struktuře. Katodou může být oxid lithia-manganičitý nebo NMC. Li-titanát má jmenovité napětí článku 2,40V, může být rychle nabitý a dodává vysoký výbojový proud 10C nebo 10násobek jmenovité kapacity. Očekává se, že počet cyklů je vyšší než počet pravidelných lithia. Li-titanát je bezpečný, má vynikající vlastnosti při nízkých teplotách a dosahuje kapacity 80% při -30 ° C (-22 ° F).

LTO (obyčejně Li4Ti ₅ O ₁₂ ) má oproti konvenční lithium-iontové směsi s grafitovou anodou výhody díky dosažení vlastnosti nulového deformace, bez tvorby SEI fólie a bez lithia při rychlém nabíjení a nabíjení při nízkých teplotách. Tepelná stabilita při vysokých teplotách je také lepší než ostatní Li-iontové systémy; avšak baterie je drahá. Při pouhých 65Wh / kg je specifická energie nízká, což je v porovnání s NiCd. Li-titanát se nabíjí do 2,80V / buňka a konec výboje je 1,80V / buňka. Obrázek 13 znázorňuje charakteristiky Li-titanátové baterie. Typickými způsoby využití jsou elektrické pohony, UPS a osvětlení pouličního osvětlení.
 

Souhrnná tabulka

Tabulka 14: Charakteristiky titanitanu lithného.

Obrázek 15 porovnává specifickou energii systémů na bázi olova, niklu a lithia. Zatímco Li-aluminium (NCA) je jasným vítězem tím, že ukládá větší kapacitu než jiné systémy, platí to pouze pro specifickou energii. Z hlediska specifické síly a tepelné stability jsou lepší než Li-mangan (LMO) a Li-fosfát (LFP). Li-titanát (LTO) může mít nízkou kapacitu, ale tato chemie převyšuje většinu ostatních baterií z hlediska životnosti a má také nejlepší výkon za studena. Pohybem směrem k elektrické pohonné jednotce získává bezpečnost a životnost cyklu převahu nad kapacitou. (LCO znamená Li-kobalt, původní Li-ion.)

Obrázek 15: Typická specifická energie baterií na bázi olova, niklu a lithia.
NCA má nejvyšší specifickou energii; nicméně mangan a fosfát jsou vynikající z hlediska specifické síly a tepelné stability. Li-titanát má nejlepší životnost.
^{S laskavým svolením Cadex}