BU-205: Типы литий-ионных

Ознакомьтесь с множеством различных типов литий-ионных батарей.

Литий-ионный назван в честь его активных материалов; слова либо написаны полностью, либо сокращены их химическими символами. Ряд букв и цифр, соединенных вместе, может быть трудно запомнить и еще сложнее произнести, а химический состав батарей также обозначается сокращенными буквами.

Например, оксид лития-кобальта, один из наиболее распространенных Li-ионов, имеет химические символы LiCoO _2.и сокращение LCO. Для простоты в этой батарее также можно использовать сокращенную форму Li-cobalt. Кобальт является основным активным материалом, придающим этой батарее характер. Другим литий-ионным химическим соединениям даны аналогичные сокращенные названия. В этом разделе перечислены шесть наиболее распространенных Li-ion. Все показания являются средними оценками на момент написания.
 

Оксид лития-кобальта (LiCoO ₂ ) - LCO

Его высокая удельная энергия делает Li-кобальт популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых фотоаппаратов. Батарея состоит из катода из оксида кобальта и графитового угольного анода. Катод имеет слоистую структуру, и во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду. При зарядке поток меняется на противоположный. Недостатком литий-кобальта является относительно короткий срок службы, низкая термическая стабильность и ограниченные нагрузочные возможности (удельная мощность). Рисунок 1 иллюстрирует структуру.
 

Недостатком литий-кобальта является относительно короткий срок службы, низкая термическая стабильность и ограниченные нагрузочные возможности (удельная мощность). Как и другие литий-ионные аккумуляторы со смесью кобальта, литий-кобальт имеет графитовый анод, который ограничивает срок службы за счет изменения поверхности раздела твердого электролита (SEI) , утолщения анода и литиевого покрытия при быстрой зарядке и зарядке при низкой температуре. Новые системы включают никель, марганец и / или алюминий для увеличения срока службы, возможностей загрузки и увеличения стоимости.

Литий-кобальт нельзя заряжать и разряжать при токе выше, чем его C-рейтинг. Это означает, что аккумулятор 18650 емкостью 2400 мАч можно заряжать и разряжать только при 2400 мА. Принудительная быстрая зарядка или приложение нагрузки выше 2400 мА вызывает перегрев и чрезмерное напряжение. Для оптимальной быстрой зарядки производитель рекомендует C-rate 0,8C или около 2000 мА. (См. BU-402: Что такое C-rate ). Обязательная схема защиты аккумулятора ограничивает скорость заряда и разряда до безопасного уровня около 1С для энергетического элемента.

Гексагональный паук (рис. 2) суммирует характеристики Li-кобальта с точки зрения удельной энергии или емкости, связанной с временем работы; удельная мощность или способность передавать большой ток; безопасность; производительностьпри высоких и низких температурах; продолжительность жизни, отражающая жизненный цикл и долголетие; и стоимость . Другими интересными характеристиками, не показанными в паутине, являются токсичность, способность к быстрой зарядке, саморазряд и срок хранения. (См. BU-104c: Батарея восьмиугольника - Что делает батарею батареей ).

Литий-кобальт теряет популярность по сравнению с литий-марганцем, но особенно с NMC и NCA из-за высокой стоимости кобальта и улучшенных характеристик за счет смешивания с другими активными катодными материалами. (См. Описание NMC и NCA ниже.)
 

Таблица результатов

Таблица 3: Характеристики оксида лития-кобальта.
 

Оксид лития-марганца (LiMn ₂ O ₄ ) - LMO

Литий-ионный аккумулятор со шпинелью марганца был впервые опубликован в бюллетене по исследованиям материалов в 1983 году. В 1996 году Moli Energy выпустила на рынок литий-ионный элемент с оксидом лития-марганца в качестве катодного материала. Архитектура образует трехмерную структуру шпинели, которая улучшает поток ионов на электроде, что приводит к снижению внутреннего сопротивления и улучшенному управлению током. Еще одним преимуществом шпинели является высокая термическая стабильность и повышенная безопасность, но цикл и календарный срок службы ограничены.

Низкое внутреннее сопротивление элемента обеспечивает быструю зарядку и сильноточную разрядку. В корпусе 18650 литий-марганец может разряжаться токами 20–30 А с умеренным тепловыделением. Также возможно применение односекундных импульсов нагрузки до 50 А. Постоянная высокая нагрузка при этом токе вызовет перегрев, а температура элемента не может превышать 80 ° C (176 ° F). Литий-марганец используется в электроинструментах, медицинских инструментах, а также в гибридных и электромобилях.

На рисунке 4 показано формирование трехмерного кристаллического каркаса на катоде литий-марганцевой батареи. Эта структура шпинели, которая обычно состоит из ромбовидных форм, соединенных в решетку, появляется после первоначального образования.
 

Литий-марганец имеет емкость примерно на треть меньше, чем литий-кобальт. Гибкость конструкции позволяет инженерам максимально увеличить срок службы батареи (срок службы), максимальный ток нагрузки (удельная мощность) или высокая емкость (удельная энергия). Например, долговечная версия в аккумуляторе 18650 имеет умеренную емкость - всего 1100 мАч; версия с повышенной емкостью - 1500 мАч.

На рисунке 5 показана паутина типичной литий-марганцевой батареи. Характеристики кажутся незначительными, но более новые конструкции улучшились с точки зрения удельной мощности, безопасности и срока службы. Литий-марганцевые батареи сегодня больше не распространены; они могут использоваться только для специальных приложений.
 

Большинство литий-марганцевых батарей смешивают с литий-никель-марганцево-кобальтовым оксидом (NMC) для повышения удельной энергии и продления срока службы. Эта комбинация позволяет выявить лучшее в каждой системе, и LMO (NMC) выбирается для большинства электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevy Volt и BMW i3. Часть LMO батареи, которая может составлять около 30 процентов, обеспечивает сильное повышение тока при ускорении; часть NMC дает большой запас хода.

Литий-ионные исследования в значительной степени тяготеют к объединению литий-марганца с кобальтом, никелем, марганцем и / или алюминием в качестве активного катодного материала. В некоторых архитектурах к аноду добавляется небольшое количество кремния. Это обеспечивает увеличение мощности на 25%; однако это усиление обычно связано с более коротким сроком службы, поскольку кремний растет и сжимается при зарядке и разрядке, вызывая механическое напряжение.

Эти три активных металла, а также кремниевое усиление можно удобно выбрать для увеличения удельной энергии (емкости), удельной мощности (нагрузочной способности) или долговечности. В то время как потребительские батареи стремятся к высокой емкости, для промышленных приложений требуются аккумуляторные системы с хорошей нагрузочной способностью, длительным сроком службы и безопасным и надежным обслуживанием.
 

Таблица результатов

Таблица 6: Характеристики оксида лития-марганца.

Оксид лития, никеля, марганца, кобальта (LiNiMnCoO ₂ ) - NMC

Одна из самых успешных литий-ионных систем - это катодная комбинация никель-марганец-кобальт (NMC). Подобно литий-марганцевому, эти системы могут быть адаптированы для использования в качестве энергетических элементов или элементов питания . Например, NMC в ячейке 18650 для условий умеренной нагрузки имеет емкость около 2800 мАч и может выдавать ток от 4 до 5 А; NMC в той же ячейке, оптимизированной для удельной мощности, имеет емкость всего около 2000 мАч, но обеспечивает непрерывный ток разряда 20 А. Анод на основе кремния выйдет на 4000 мАч и выше, но с меньшей нагрузочной способностью и более коротким сроком службы. Кремний, добавленный к графиту, имеет недостаток, заключающийся в том, что анод растет и сжимается при заряде и разряде, что делает элемент механически нестабильным.

Секрет NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Аналогом этого является поваренная соль, основные ингредиенты которой, натрий и хлорид, сами по себе токсичны, но их смешивание служит приправой и консервантом пищи. Никель известен своей высокой удельной энергией, но плохой стабильностью; Марганец имеет преимущество образования шпинельной структуры для достижения низкого внутреннего сопротивления, но предлагает низкую удельную энергию. Сочетание металлов усиливает сильные стороны друг друга.

NMC - это аккумулятор для электроинструментов, электровелосипедов и других электрических силовых агрегатов. Катодная комбинация обычно состоит из одной трети никеля, одной трети марганца и одной трети кобальта, также известного как 1-1-1. Это предлагает уникальную смесь, которая также снижает стоимость сырья из-за пониженного содержания кобальта. Еще одна удачная комбинация - NCM с 5 частями никеля, 3 частями кобальта и 2 частями марганца (5-3-2). Возможны другие комбинации с использованием различных количеств катодных материалов.

Производители аккумуляторов переходят от кобальтовых систем к никелевым катодам из-за высокой стоимости кобальта. Системы на основе никеля имеют более высокую плотность энергии, более низкую стоимость и более длительный срок службы, чем элементы на основе кобальта, но они имеют немного более низкое напряжение.

Новые электролиты и добавки позволяют заряжать до 4,4 В / элемент и выше для увеличения емкости. На рисунке 7 показаны характеристики NMC.
 

Наблюдается переход к использованию литий-ионных аккумуляторов с добавлением NMC, поскольку система может быть экономичной и обеспечивает хорошую производительность. Три активных материала - никель, марганец и кобальт - можно легко смешивать, чтобы они соответствовали широкому спектру применений в автомобилях и системах хранения энергии (EES), которые требуют частой смены циклов. Семья NMC становится все более разнообразной.

Таблица результатов

  Таблица 8: Характеристики оксида  лития, никеля, марганца и кобальта (NMC ).

Литий-железо-фосфат (LiFePO ₄ ) - LFP

В 1996 году Техасский университет (и другие участники) открыли фосфат в качестве катодного материала для перезаряжаемых литиевых батарей. Литий-фосфат обладает хорошими электрохимическими характеристиками при низком сопротивлении. Это стало возможным благодаря наноразмерному фосфатному катодному материалу. Ключевыми преимуществами являются высокий номинальный ток и длительный срок службы, а также хорошая термическая стабильность, повышенная безопасность и устойчивость при неправильном использовании.

Литий-фосфат более устойчив к условиям полной зарядки и менее подвержен нагрузкам, чем другие литий-ионные системы, если они находятся под высоким напряжением в течение длительного времени. (См. BU-808: Как продлить срок службы литиевых батарей). В качестве компромисса его более низкое номинальное напряжение 3,2 В / элемент снижает удельную энергию ниже, чем у литий-ионного сплава с добавкой кобальта. Для большинства аккумуляторов низкая температура снижает производительность, а повышенная температура хранения сокращает срок службы, и литий-фосфат не является исключением. Литий-фосфатный аккумулятор имеет более высокий саморазряд, чем другие литий-ионные аккумуляторы, что может вызвать проблемы с балансировкой при старении. Этого можно избежать, купив высококачественные элементы и / или используя сложную управляющую электронику, что увеличивает стоимость блока. Чистота на производстве важна для долгой службы. Нет толерантности к влаге, иначе батарея будет работать только 50 циклов. На рисунке 9 приведены характеристики литий-фосфата.

Литий-фосфат часто используется для замены свинцово-кислотной стартерной батареи. Четыре последовательно соединенных элемента производят 12,80 В, что аналогично напряжению шести последовательно включенных свинцово-кислотных элементов на 2 В. Транспортные средства заряжают свинцовую кислоту до 14,40 В (2,40 В на элемент) и поддерживают максимальный заряд. Подзарядка применяется для поддержания полного уровня заряда и предотвращения сульфатации свинцово-кислотных аккумуляторов.

При последовательном подключении четырех литий-фосфатных ячеек максимальная мощность каждой ячейки составляет 3,60 В, что является правильным напряжением полной зарядки. На этом этапе зарядка должна быть отключена, но подзарядка продолжается во время движения. Литий-фосфат толерантен к некоторому завышению заряда; тем не менее, поддержание напряжения на уровне 14,40 В в течение длительного времени, как это делают большинство транспортных средств в длительной поездке, может привести к перегрузке литий-фосфата. Время покажет, насколько долговечным будет литий-фосфат в качестве замены свинцово-кислотной системы с обычной системой зарядки автомобиля. Низкие температуры также снижают производительность литий-ионных аккумуляторов, что в крайних случаях может повлиять на пусковую способность.
 

Таблица результатов

Таблица 10: Характеристики  фосфата лития-железа.

См. Раздел « Литий-марганцево-железо-фосфат» (LMFP) для получения информации о L-фосфате с повышенным содержанием марганца.
 

Литий-никель-кобальт-оксид алюминия (LiNiCoAlO ₂ ) - NCA

Литий-никель-кобальт-алюминиево-оксидные батареи, или NCA, используются с 1999 года для специальных применений. Он имеет сходство с NMC, предлагая высокую удельную энергию, достаточно хорошую удельную мощность и длительный срок службы. Менее лестными являются безопасность и стоимость. На рисунке 11 представлены шесть основных характеристик. NCA - это дальнейшее развитие оксида лития-никеля; добавление алюминия придает химическому составу большую стабильность.
 

Таблица результатов

Таблица 12: Характеристики оксида лития, никеля, кобальта, алюминия.
 

Титанат лития (Li ₂ TiO ₃ ) - LTO

Батареи с анодами из титаната лития известны с 1980-х годов. Литий-титанат заменяет графит в аноде типичной литий-ионной батареи, и материал образует структуру шпинели. Катодом может быть оксид лития-марганца или NMC. Литий-титанат имеет номинальное напряжение элемента 2,40 В, может быстро заряжаться и обеспечивает высокий разрядный ток 10 ° C, что в 10 раз превышает номинальную емкость. Считается, что количество циклов выше, чем у обычного литий-ионного аккумулятора. Литий-титанат безопасен, обладает отличными низкотемпературными разрядными характеристиками и имеет емкость 80 процентов при –30 ° C (–22 ° F).

LTO (обычно Li4Ti ₅ O ₁₂) имеет преимущества по сравнению с обычным литий-ионным аккумулятором со смесью кобальта с графитовым анодом за счет достижения нулевой деформации, отсутствия образования пленки SEI и литиевого покрытия при быстрой зарядке и зарядке при низкой температуре. Термостойкость при высоких температурах также лучше, чем у других литий-ионных систем; однако аккумулятор стоит дорого. Его удельная энергия составляет всего 65 Втч / кг, что сопоставимо с удельной энергией NiCd. Литий-титанат заряжается до 2,80 В / элемент, а конец разряда составляет 1,80 В / элемент. На рисунке 13 показаны характеристики литий-титанатной батареи. Типичное применение - электрические силовые агрегаты, ИБП и уличное освещение на солнечных батареях.
 

Таблица результатов

Таблица 14: Характеристики титаната лития.

Батареи будущего

Твердотельный литий-ионный аккумулятор: высокая удельная энергия, но низкая нагрузка и безопасность.
Литий-сера: высокая удельная энергия, но
малый срок службы и плохая нагрузка. Литий-воздух: высокая удельная энергия, но плохая нагрузка, требуется чистый воздух для дыхания и короткий срок службы.

На рисунке 15 сравнивается удельная энергия систем на основе свинца, никеля и лития. Хотя литий-алюминиевый (NCA) явный победитель, сохраняя большую емкость, чем другие системы, это относится только к удельной энергии. С точки зрения удельной мощности и термической стабильности литий-марганец (LMO) и литий-фосфат (LFP) превосходят их. Литий-титанат (LTO) может иметь низкую емкость, но этот химический состав переживает большинство других батарей с точки зрения срока службы, а также имеет лучшие характеристики при низких температурах. При переходе к электрической трансмиссии безопасность и долговечность будут преобладать над мощностью. (LCO означает литий-кобальт, оригинальный литий-ионный аккумулятор.)
 

Рисунок 15: Типичная удельная энергия свинцовых, никелевых и литиевых батарей.
NCA обладает самой высокой удельной энергией; однако марганец и фосфат превосходят их по удельной мощности и термической стабильности. Литий-титанат имеет лучшую продолжительность жизни.