Typer av litiumion

Kilde: https://batteryuniversity.com

Litium-ion er oppkalt etter dets aktive materialer; ordene er enten skrevet i sin helhet eller forkortet av deres kjemiske symboler. En rekke bokstaver og tall som strammet sammen, kan være vanskelig å huske og enda vanskeligere å uttale, og batterikjemikalier identifiseres også med forkortede brev.

For eksempel har litium koboltoksid, en av de vanligste Li-ionene, kjemiske symbolene LiCoO ₂ og forkortelsen LCO. For enkelhets skyld kan den korte formen Li-kobolt også brukes til dette batteriet. Kobolt er det viktigste aktive materialet som gir dette batteriet karakter. Andre Li-ion-kjemikalier er gitt tilsvarende kortformede navn. Denne delen viser seks av de vanligste Li-ionene. Alle avlesninger er gjennomsnittlige estimater ved skrivingstidspunktet.

Litium koboltoksid (LiCoO ₂ )

Den høye spesifikke energien gjør Li-kobolt til det populære valget for mobiltelefoner, bærbare datamaskiner og digitale kameraer. Batteriet består av en koboltoksydkatode og en grafitt karbonanode. Katoden har en lagdelt struktur og under utladning beveger litiumioner fra anoden til katoden. Strømmen reverserer på lading. Ulempen med Li-kobolt er en relativt kort levetid, lav termisk stabilitet og begrenset belastningsevne (spesifikk effekt). Figur 1 illustrerer strukturen.

Ulempen med Li-kobolt er en relativt kort levetid, lav termisk stabilitet og begrenset belastningsevne (spesifikk effekt). Som andre koboltblandede Li-ion, har Li-kobolt en grafittanode som begrenser sykluslivet med et skiftende solid elektrolytgrensesnitt (SEI) , fortykkelse på anoden og litiumplateringen mens du raskt lader og lader ved lav temperatur. Nyere systemer inkluderer nikkel, mangan og / eller aluminium for å forbedre levetiden, lasteevne og kostnad.

Li-kobolt bør ikke belastes og slippes ut med en strøm som er høyere enn dens C-karakter. Dette betyr at en 18650 celle med 2,400mAh kun kan lade opp og utlades ved 2.400mA. Tvinge en rask ladning eller å påføre en belastning høyere enn 2.400mA forårsaker overoppheting og unødig spenning. For optimal rask ladning anbefaler produsenten en C-hastighet på 0,8C eller ca. 2000mA. (Se e BU-402: Hva er C-rate ). Den obligatoriske batteribeskyttelseskretsen begrenser ladnings- og utladningshastigheten til et trygt nivå på ca. 1C for energicellen.

Den sekskantede edderkoppen grafisk (Figur 2) oppsummerer ytelsen til Li-kobolt i form av spesifikk energi eller kapasitet som angår kjøretid; bestemt kraft eller evnen til å levere høy strøm; sikkerhet; ytelse ved varme og kalde temperaturer; levetid reflekterende syklus liv og lang levetid; og kostnad . Andre egenskaper som ikke er vist i spindelbanene er toksisitet, hurtigladning, selvutladning og holdbarhet. (Se BU-104c: Octagon Battery - Hva gjør et batteri et batteri ).

Li-kobolt mister fordel til Li-mangan, men spesielt NMC og NCA på grunn av høye kostnader for kobolt og forbedret ytelse ved blanding med andre aktive katodematerialer. (Se beskrivelse av NMC og NCA nedenfor.)

Oppsummeringstabell

Tabell 3: Kjennetegn ved litium koboltoksid.

Litiummanganoksyd (LiMn204)

Li-ion med manganspinnel ble først publisert i Materials Research Bulletin i 1983. I 1996 kommersialiserte Moli Energy en Li-ion-celle med litium manganoksyd som katodemateriale. Arkitekturen danner en tredimensjonal spinellstruktur som forbedrer ionstrømmen på elektroden, noe som resulterer i lavere indre motstand og forbedret strømhåndtering. En ytterligere fordel med spinel er høy termisk stabilitet og forbedret sikkerhet, men syklusen og kalenderen er begrenset.

Lav intern cellebestandighet muliggjør rask lading og strømforsyning. I en 18650-pakke kan Li-mangan slippes ut ved strømmer på 20-30A med moderat varmeoppbygging. Det er også mulig å bruke en sekunders belastningsimpulser på opptil 50A. En kontinuerlig høy belastning ved denne strømmen vil forårsake varmeoppbygging og celletemperaturen kan ikke overstige 80 ° C (176 ° F). Li-mangan brukes til elektroverktøy, medisinske instrumenter, samt hybrid- og elbiler.

Figur 4 illustrerer dannelsen av et tredimensjonalt krystallinsk rammeverk på katoden av et Li-manganbatteri. Denne spinelstrukturen, som vanligvis består av diamantformer koblet til en gitter, vises etter oppstart.

Li-mangan har en kapasitet som er omtrent en tredjedel lavere enn Li-kobolt. Design fleksibilitet gjør det mulig for ingeniører å maksimere batteriet for enten optimal levetid (levetid), maksimal belastningsstrøm (spesifikk effekt) eller høy kapasitet (spesifikk energi). For eksempel har langvarig versjon i 18650-cellen en moderat kapasitet på bare 1100mAh; Høykapasitetsversjonen er 1500mAh.

Figur 5 viser edderkoppbanen av et typisk Li-manganbatteri. Egenskapene virker som marginale, men nyere design har forbedret seg når det gjelder spesifikk kraft, sikkerhet og levetid. Pure Li-mangan-batterier er ikke lenger vanlige i dag; De kan bare brukes til spesielle applikasjoner.

De fleste Li-manganbatterier blandes med litiumnikkel mangan koboltoksid (NMC) for å forbedre den spesifikke energien og forlenge levetiden. Denne kombinasjonen gir det beste i hvert system, og LMO (NMC) er valgt for de fleste elektriske kjøretøy, for eksempel Nissan Leaf, Chevy Volt og BMW i3. LMO-delen av batteriet, som kan være ca 30 prosent, gir høy strømforhøyelse ved akselerasjon; NMC-delen gir det lange kjøreområdet.

Li-ion-forskning graviterer tungt mot å kombinere Li-mangan med kobolt, nikkel, mangan og / eller aluminium som aktivt katodemateriale. I noen arkitektur legges en liten mengde silisium til anoden. Dette gir en 25 prosent kapasitetsøkning; gevinsten er imidlertid vanligvis forbundet med et kortere syklusliv da silisium vokser og krymper med ladning og utslipp, noe som forårsaker mekanisk stress.

Disse tre aktive metaller, så vel som silisiumforbedringen, kan hensiktsmessig velges for å øke den spesifikke energien (kapasitet), spesifikk effekt (belastningsevne) eller levetid. Mens forbrukerbatterier går for høy kapasitet, krever industrielle applikasjoner batterisystemer som har gode lasteegenskaper, gir lang levetid og gir trygg og pålitelig service.

Oppsummeringstabell

Tabell 6: Kjennetegn ved litiummanganoksyd.

Litiumnikkelmangan koboltoksid (LiNiMnCoO2 eller NMC)

Et av de mest vellykkede Li-ion-systemene er en katodekombinasjon av nikkel-mangan-kobolt (NMC). I likhet med Li-mangan, kan disse systemene skreddersys for å betjene som energiseller eller strømceller . For eksempel har NMC i en 18650-celle for moderat lasttilstand en kapasitet på ca. 2800mAh og kan levere 4A til 5A; NMC i samme celle optimalisert for spesifikk effekt har en kapasitet på bare ca 2000mAh, men leverer en kontinuerlig utladningsstrøm på 20A. En silisiumbasert anode vil gå til 4000mAh og høyere, men med redusert belastningsevne og kortere syklusliv . Silisium lagt til grafitt har den ulempen at anoden vokser og krymper med ladning og utladning, noe som gjør cellen mekanisk ustabil.

Hemmeligheten til NMC ligger i å kombinere nikkel og mangan. En analogi med dette er bordsalt der hovedingrediensene, natrium og klorid, er giftige alene, men blanding dem tjener som krydder salt og mat preserver. Nikkel er kjent for sin høye spesifikke energi, men dårlig stabilitet; mangan har fordelen av å danne en spinellstruktur for å oppnå lav indre motstand, men tilbyr en lav spesifikk energi. Kombinere metaller øker hverandre styrker.

NMC er batteriet av valg for kraftverktøy, e-sykler og andre elektriske drivstasjoner. Katodkombinasjonen er typisk en tredjedel nikkel, en tredjedel mangan og en tredjedel kobolt, også kjent som 1-1-1. Dette gir en unik blanding som også senker råvarekostnaden på grunn av redusert koboltinnhold. En annen vellykket kombinasjon er NCM med 5 deler nikkel, 3 deler kobolt og 2 deler mangan (5-3-2). Andre kombinasjoner som bruker forskjellige mengder katodematerialer er mulige.

Batteriprodusenter beveger seg bort fra koboltsystemer mot nikkelkatoder på grunn av den høye prisen på kobolt. Nikkelbaserte systemer har høyere energidensitet, lavere kostnader og lengre sykluser enn koboltbaserte celler, men de har en litt lavere spenning.

Nye elektrolytter og tilsetningsstoffer gjør det mulig å lade opp til 4,4 V / celle og høyere for å øke kapasiteten. Figur 7 viser egenskapene til NMC.

Det er et trekk mot NMC-blandet Li-ion, da systemet kan bygges økonomisk og det oppnår en god ytelse. De tre aktive materialene i nikkel, mangan og kobolt kan enkelt blandes for å passe et bredt spekter av anvendelser for bil- og energilagringssystemer (EEA) som trenger hyppig sykling. NMC-familien vokser i sitt mangfold.

Oppsummeringstabell

Tabell 8: Kjennetegn ved litiumnikkel mangan koboltoksid (NMC).

Litium jernfosfat (LiFePO ₄ )

I 1996 oppdaget University of Texas (og andre bidragsytere) fosfat som katodemateriale for oppladbare litiumbatterier. Li-fosfat gir god elektrokjemisk ytelse med lav motstand. Dette er gjort mulig med nanoskala fosfat katode materiale. De viktigste fordelene er høy nåværende vurdering og lang syklus liv, i tillegg til god termisk stabilitet, økt sikkerhet og toleranse hvis misbrukt.

Li-fosfat er mer tolerant mot full ladningsbetingelser og er mindre stresset enn andre litium-jonsystemer hvis de holdes ved høy spenning i lengre tid. (Se BU-808: Hvordan forlenge litiumbaserte batterier ). Som en bytte reduserer den lavere nominelle spenningen på 3,2 V / celle den spesifikke energien under den av koboltblandet litiumion. Med de fleste batterier reduserer kaldtemperatur ytelsen og forhøyet lagertemperatur forkorter levetiden, og Li-fosfat er ikke noe unntak. Li-fosfat har høyere selvutladning enn andre Li-ion-batterier, noe som kan forårsake å balansere problemer med aldring. Dette kan reduseres ved å kjøpe høykvalitetsceller og / eller ved hjelp av sofistikert kontrollelektronikk, som begge øker kostnadene ved pakken. Renslighet i produksjonen er viktig for lang levetid. Det er ingen toleranse for fuktighet, slik at batteriet bare leverer 50 sykluser. Figur 9 oppsummerer egenskapene til Li-fosfat.

Li-fosfat brukes ofte til å erstatte bly-syre-startbatteriet. Fire celler i serie produserer 12.80V, en tilsvarende spenning til seks 2V bly-syreceller i serie. Kjøretøy lades blysyre til 14,40V (2,40V / celle) og opprettholder en topplading. Tilleggsbelastning brukes for å opprettholde full ladningsnivå og forhindre sulfatering på batterier.

Med fire Li-fosfat-celler i serie, hver celle topper på 3,60V, som er den riktige fulladelsspenningen. På dette tidspunktet må ladningen være frakoplet, men topping-ladningen fortsetter mens du kjører. Li-fosfat er tolerant for noe overladning; Imidlertid holder spenningen ved 14.40V i lengre tid, som de fleste biler gjør på en lang biltur, kunne stresse Li-fosfat. Tiden vil fortelle hvor slitesterk Li-fosfat vil være som en ledesyreutskiftning med et vanlig kjøretøyets ladingssystem. Kaldtemperatur reduserer også ytelsen til Li-ion, og dette kan påvirke sveivevnen i ekstreme tilfeller.

Oppsummeringstabell

Tabell 10: Kjennetegn ved litiumjernfosfat.

Litiumnikkelkobolt Aluminiumoksid (LiNiCoAlO ₂ )

Lithium nikkel kobolt aluminium oksid batteri, eller NCA, har eksistert siden 1999 for spesielle applikasjoner. Den deler likheter med NMC ved å tilby høy spesifikk energi, rimelig god bestemt kraft og lang levetid. Mindre smigrende er sikkerhet og kostnad. Figur 11 oppsummerer de seks nøkkelegenskapene. NCA er en videreutvikling av litiumnikkeloksid; Å legge til aluminium gir kjemien større stabilitet.

Oppsummeringstabell

Tabell 12: Kjennetegn ved litiumnikkelkoboltalloksyd.

Litiumtitanat (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Batterier med litiumtitanatanoder har vært kjent siden 1980-tallet. Li-titanat erstatter grafitt i anoden til et typisk litiumionbatteri, og materialet dannes til en spinellstruktur. Katoden kan være litium manganoksyd eller NMC. Li-titanat har en nominell cellespenning på 2,40V, kan raskt lades og gir en høy utladningsstrøm på 10C, eller 10 ganger den nominelle kapasiteten. Syklusantallet sies å være høyere enn for en vanlig Li-ion. Li-titanat er trygt, har gode lavtemperaturutladningsegenskaper og oppnår en kapasitet på 80 prosent ved -30 ° C.

LTO (vanligvis Li4Ti ₅ O ₁₂ ) har fordeler over den konvensjonelle koboltblandede Li-ion med grafittanod ved å oppnå nullstammeegenskaper, ingen SEI-filmdannelse og ingen litiumplettering ved hurtig lading og lading ved lav temperatur. Termisk stabilitet under høy temperatur er også bedre enn andre Li-ion-systemer; Batteriet er imidlertid dyrt. Ved bare 65Wh / kg er den spesifikke energien lav, rivaling av NiCd. Li-titanat ladninger til 2,80 V / celle, og slutten av utladningen er 1,80 V / celle. Figur 13 illustrerer egenskapene til Li-titanatbatteriet. Typiske bruksområder er elektriske motorer, UPS og soldrevet gatebelysning.
 

Oppsummeringstabell

Tabell 14: Kjennetegn ved litiumtitanat.

Figur 15 sammenligner den spesifikke energien til bly-, nikkel- og litiumbaserte systemer. Mens Li-aluminium (NCA) er den klare vinneren ved å lagre mer kapasitet enn andre systemer, gjelder dette bare for spesifikk energi. Når det gjelder spesifikk kraft og termisk stabilitet, er Li-mangan (LMO) og Li-fosfat (LFP) overlegen. Li-titanat (LTO) kan ha lav kapasitet, men denne kjemi overlever de fleste andre batterier når det gjelder levetid og har også den beste temperaturen i kaldtemperatur. Å bevege seg mot det elektriske drivverket, sikkerhet og syklus vil få dominans over kapasitet. (LCO står for Li-kobolt, den opprinnelige Li-ion.)

Figur 15: Typisk spesifikk energi for bly-, nikkel- og litiumbaserte batterier.
NCA har den høyeste spesifikke energien; Mangan og fosfat er imidlertid overlegen når det gjelder spesifikk kraft og termisk stabilitet. Li-titanat har det beste levetiden.
^{Hilsen av Cadex}