Vrste litijum-jona

Izvor: https://batteryuniversity.com

Litijum-ion je nazvan po svojim aktivnim materijalima; reči su ili pune ili skraćene njihovim hemijskim simbolima. Niz slova i brojeva vezanih zajedno može biti teško zapamtiti i još teže izgovoriti, a kemijske baterije se također identificiraju u skraćenim slovima.

Na primer, litij-kobalt-oksid, jedan od najčešćih Li-jona, ima hemijske simbole LiCoO ₂ i skraćenicu LCO. Radi jednostavnosti, za ovaj akumulator može se koristiti i kratki Li-kobalt. Kobalt je glavni aktivni materijal koji daje karakter baterije. Druge Li-ion hemije su dobile slične kratke nazive. Ovaj odeljak navodi šest najčešćih Li-jona. Sva čitanja su prosječne procjene u vrijeme pisanja.

Litij-kobalt-oksid (LiCoO ₂ )

Njegova visoka specifična energija čini Li-kobalt popularnim izborom za mobilne telefone, laptopove i digitalne fotoaparate. Baterija se sastoji od katode kobalt oksida i grafitne anode. Katoda ima slojevitu strukturu i tokom pražnjenja, litijumski joni se kreću od anode do katode. Protok se preokreće. Nedostatak Li-kobalta je relativno kratak životni vijek, niska termička stabilnost i ograničene mogućnosti opterećenja (specifična snaga). Slika 1 ilustruje strukturu.

Nedostatak Li-kobalta je relativno kratak životni vijek, niska termička stabilnost i ograničene mogućnosti opterećenja (specifična snaga). Kao i drugi kobaltno mešani Li-ion, Li-kobalt ima grafitnu anodu koja ograničava životni vijek ciklusa mijenjanjem sučelja čvrstog elektrolita (SEI) , zadebljanjem anode i litijumske obrade pri brzom punjenju i punjenju na niskoj temperaturi. Noviji sistemi uključuju nikl, mangan i / ili aluminijum za poboljšanje dugovječnosti, mogućnosti utovara i troškova.

Li-kobalt se ne bi trebao puniti i prazniti strujom većom od C-vrijednosti. To znači da se ćelija 18650 sa 2.400mAh može puniti i prazniti samo na 2.400mA. Prisiljavanje brzog punjenja ili opterećenje veće od 2400mA uzrokuje pregrijavanje i nepotrebno opterećenje. Za optimalno brzo punjenje, proizvođač preporučuje C-stopu od 0,8C ili oko 2000mA. (Se BU-402: Što je stopa C ). Obavezni krug zaštite baterije ograničava brzinu punjenja i pražnjenja na siguran nivo od oko 1C za energetsku ćeliju.

Šesterokutna grafika pauka (slika 2) rezimira performanse Li-kobalta u smislu specifične energije ili kapaciteta koji se odnosi na vrijeme izvođenja; specifičnu snagu ili mogućnost isporuke velike struje; sigurnost; performanse na toplim i hladnim temperaturama; životni vijek koji odražava životni vijek i dugovječnost; i trošak . Ostale karakteristike od interesa koje nisu prikazane na paukovima su toksičnost, mogućnosti brzog punjenja, samopražnjenje i rok trajanja. (Pogledajte BU-104c: Octagon baterija - Što čini bateriju baterijom ).

Li-kobalt gubi prednost na Li-mangan, ali posebno NMC i NCA zbog visoke cijene kobalta i poboljšanih performansi miješanjem s drugim aktivnim katodnim materijalima. (Pogledajte opis NMC i NCA ispod.)

Pregledna tabela

Tabela 3: Karakteristike litij-kobaltnog oksida.

Litij-manganov oksid (LiMn ₂ O ₄ )

Li-ion sa manganovim spinelom prvi put je objavljen u Bulletin Research Materials 1983. godine. Moli Energy je 1996. komercijalizovao litijumske ćelije sa litijum manganovim oksidom kao katodnim materijalom. Arhitektura formira trodimenzionalnu strukturu spinela koja poboljšava protok iona na elektrodi, što rezultira nižim unutrašnjim otporom i poboljšanim rukovanjem strujom. Daljnja prednost spinela je visoka termička stabilnost i povećana sigurnost, ali je životni vijek ciklusa i kalendara ograničen.

Nizak otpor unutrašnjih ćelija omogućava brzo punjenje i pražnjenje visokim naponom. U pakovanju od 18650, Li-mangan se može ispustiti na strujama od 20-30A uz umjereno zagrijavanje. Također je moguće primijeniti impulse od jedne sekunde do 50A. Stalno veliko opterećenje na ovoj struji izazvalo bi stvaranje toplote i temperatura ćelije ne bi mogla da pređe 80 ° C (176 ° F). Li-mangan se koristi za električne alate, medicinske instrumente, kao i za hibridna i električna vozila.

Slika 4 ilustruje formiranje trodimenzionalnog kristalnog okvira na katodi Li-manganske baterije. Ova spinel struktura, koja se obično sastoji od dijamantnih oblika povezanih u rešetku, pojavljuje se nakon početne formacije.

Li-mangan ima kapacitet koji je otprilike za jednu trećinu manji od Li-kobalta. Fleksibilnost dizajna omogućava inženjerima da maksimiziraju bateriju za optimalnu dugovječnost (životni vijek), maksimalnu struju opterećenja (specifičnu snagu) ili veliki kapacitet (specifičnu energiju). Na primer, dugotrajna verzija u ćeliji 18650 ima umeren kapacitet od samo 1.100mAh; verzija velikog kapaciteta je 1.500mAh.

Slika 5 prikazuje paukovu mrežu tipične Li-manganske baterije. Karakteristike su marginalne, ali noviji dizajni su poboljšani u smislu specifične snage, sigurnosti i životnog vijeka. Čiste Li-manganske baterije danas nisu uobičajene; mogu se koristiti samo za specijalne primjene.

Većina Li-manganskih baterija se miješa s litij-nikal mangan kobalt oksidom (NMC) kako bi se poboljšala specifična energija i produžio životni vijek. Ova kombinacija donosi najbolje u svakom sistemu, a LMO (NMC) je izabran za većinu električnih vozila, kao što su Nissan Leaf, Chevy Volt i BMW i3. LMO dio akumulatora, koji može biti oko 30 posto, osigurava visok trenutni porast na ubrzanju; NMC dio daje dugačak domet.

Li-ionska istraživanja gravitiraju ka kombinaciji Li-mangana sa kobaltom, niklom, manganom i / ili aluminijem kao aktivnim katodnim materijalom. U nekoj arhitekturi, mala količina silikona se dodaje anodi. Ovo omogućava povećanje kapaciteta od 25%; međutim, dobitak je obično povezan sa kraćim životnim ciklusom jer silikon raste i skuplja se sa punjenjem i pražnjenjem, uzrokujući mehanički stres.

Ova tri aktivna metala, kao i poboljšanje silikona, mogu se pogodno izabrati da povećaju specifičnu energiju (kapacitet), specifičnu snagu (sposobnost opterećenja) ili dugovečnost. Dok potrošačke baterije troše velike kapacitete, industrijske aplikacije zahtijevaju sisteme baterija koje imaju dobre mogućnosti opterećenja, pružaju dugi vijek trajanja i pružaju siguran i pouzdan servis.

Pregledna tabela

Tabela 6: Karakteristike litij-manganovog oksida.

Litij-nikl manganov kobalt-oksid (LiNiMnCoO ₂ ili NMC)

Jedan od najuspješnijih Li-ion sistema je katodna kombinacija nikal-mangan-kobalt (NMC). Slično kao i Li-mangan, ovi sistemi se mogu prilagoditi servisima kao energetske ćelije ili energetske ćelije . Na primjer, NMC u ćeliji 18650 za umjerena stanja opterećenja ima kapacitet od oko 2,800mAh i može isporučiti 4A do 5A; NMC u istoj ćeliji optimiziran za specifičnu snagu ima kapacitet od samo oko 2.000mAh, ali daje stalnu struju pražnjenja od 20A. Anoda na bazi silicijuma će preći na 4.000mAh i više, ali na smanjenu mogućnost opterećenja i kraći životni vek ciklusa. Silicij koji se dodaje grafitu ima nedostatak što anoda raste i skuplja se sa punjenjem i pražnjenjem, čineći ćeliju mehanički nestabilnom.

Tajna NMC leži u kombinaciji nikla i mangana. Analogija ovoga je kuhinjska sol u kojoj su glavni sastojci, natrij i klorid, sami po sebi otrovni, ali njihovo miješanje služi kao začinska sol i čuvar hrane. Nikl je poznat po svojoj visokoj specifičnoj energiji, ali slaboj stabilnosti; mangan ima korist od formiranja spinel strukture da bi se postigla niska unutrašnja otpornost, ali nudi nisku specifičnu energiju. Kombinovanje metala povećava jačinu.

NMC je baterija izbora za električne alate, e-bicikle i druge električne pogone. Kombinacija katode je obično jedna trećina nikla, jedna trećina mangana i jedna trećina kobalta, također poznat kao 1-1-1. Ovo nudi jedinstvenu mješavinu koja također smanjuje troškove sirovina zbog smanjenog sadržaja kobalta. Još jedna uspješna kombinacija je NCM sa 5 dijelova nikla, 3 dijela kobalta i 2 dijela mangana (5-3-2). Moguće su i druge kombinacije koje koriste različite količine katodnih materijala.

Proizvođači baterija se udaljavaju od sistema kobalta prema katodima nikla zbog visoke cene kobalta. Sistemi na bazi nikla imaju veću gustinu energije, niže troškove i duži životni vek od ćelija na bazi kobalta, ali imaju nešto niži napon.

Novi elektroliti i aditivi omogućavaju punjenje do 4.4V / ćeliju i više za povećanje kapaciteta. Slika 7 prikazuje karakteristike NMC.

Postoji pomak prema litij-ionima koji se miješaju s NMC-om jer se sustav može ekonomski izgraditi i postići dobre performanse. Tri aktivna materijala nikla, mangana i kobalta mogu se lako miješati kako bi odgovarali širokom rasponu primjena za automobilske sustave i sustave za skladištenje energije (EES) koji zahtijevaju često kruženje. NMC porodica raste u svojoj raznolikosti.

Pregledna tabela

Tabela 8: Karakteristike litijum-nikal-mangan-kobalt-oksida (NMC).

Litijum fosfat (LiFePO ₄ )

1996. godine, Univerzitet Teksas (i drugi saradnici) otkrio je fosfat kao katodni materijal za punjive litijumske baterije. Li-fosfat nudi dobre elektrokemijske performanse uz malu otpornost. To je omogućeno materijalom za nanošenje fosfata katodom na nano skali. Glavne prednosti su visoki strujni rejting i dugi vijek trajanja, osim dobre termičke stabilnosti, povećane sigurnosti i tolerancije ako se zloupotrebljavaju.

Li-fosfat je tolerantniji na uvjete potpunog punjenja i manje je opterećen od drugih litijum-jonskih sustava ako se duže zadržava na visokom naponu. (Pogledajte BU-808: Kako produžiti litijumske baterije ). Kao kompromis, njegov niži nominalni napon od 3.2V / ćelija smanjuje specifičnu energiju ispod one od litijum-jona sa mešavinom kobalta. Kod većine baterija, hladna temperatura smanjuje performanse i povišena temperatura skladištenja skraćuje vijek trajanja, a Li-fosfat nije izuzetak. Li-fosfat ima veće samo-pražnjenje u odnosu na druge litijum-jonske baterije, što može prouzrokovati probleme sa balansiranjem sa starenjem. Ovo se može ublažiti kupovinom ćelija visokog kvaliteta i / ili korišćenjem sofisticirane kontrolne elektronike, od kojih oba povećavaju troškove pakovanja. Čistoća u proizvodnji je važna za dugovečnost. Nema tolerancije za vlagu, jer će baterija isporučivati samo 50 ciklusa. Slika 9 sumira atribute Li-fosfata.

Li-fosfat se često koristi za zamjenu baterije olovnog startera. Četiri ćelije u seriji proizvode 12.80V, sličan napon na šest 2V ćelija olovne kiseline u seriji. Vozila naplaćuju olovnu kiselinu na 14.40V (2.40V / ćeliju) i održavaju punjenje. Punjenje se vrši kako bi se održao puni nivo punjenja i spriječila sulfacija na kiselim baterijama.

Sa četiri Li-fosfatne ćelije u seriji, svaka ćelija je na 3.60V, što je ispravan napon punog punjenja. U ovom trenutku, punjenje treba prekinuti, ali punjenje se nastavlja dok vozite. Li-fosfat je tolerantan na neke preopterećenja; međutim, zadržavanje napona na 14.40V tokom dužeg vremena, kao što većina vozila radi na dugom putovanju, može da podnese Li-fosfat. Vreme će pokazati koliko će trajni Li-fosfat biti zamena olovne kiseline sa redovnim sistemom punjenja vozila. Hladna temperatura takođe smanjuje performanse Li-jona i to može uticati na sposobnost pokretanja u ekstremnim slučajevima.

Pregledna tabela

Tabela 10: Karakteristike litijum fosfata željeza.

Aluminij oksid litij-nikal kobalta (LiNiCoAlO ₂ )

Litij-nikal kobalt aluminijum oksid baterija, ili NCA, je oko od 1999 za posebne primjene. On deli sličnosti sa NMC nudeći visoku specifičnu energiju, relativno dobru specifičnu snagu i dug životni vek. Manje laskanje je sigurnost i cijena. Slika 11 sumira šest ključnih karakteristika. NCA je dalji razvoj litijum-niklovog oksida; dodavanje aluminijuma daje hemiji veću stabilnost.

Pregledna tabela

Tabela 12: Karakteristike aluminijum oksida litij-nikal kobalta.

Litij titanat (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Baterije sa litijum-titanatnim anodama poznate su još od 1980-ih. Li-titanat zamjenjuje grafit u anodi tipične litij-ionske baterije, a materijal formira u spinel strukturu. Katoda može biti litij mangan oksid ili NMC. Li-titanat ima nominalni napon ćelije od 2.40V, može se brzo puniti i isporučuje visoku struju pražnjenja od 10C, ili 10 puta više od nazivnog kapaciteta. Za brojanje ciklusa se kaže da je veći od broja regularnog Li-jona. Li-titanat je siguran, ima odlične karakteristike pražnjenja pri niskim temperaturama i ima kapacitet od 80% na -30 ° C (–22 ° F).

LTO (obično Li4Ti5O12) ima prednosti u odnosu na konvencionalni litijum-jon s kobaltom s grafitnom anodom postizanjem svojstava nulte deformacije, bez stvaranja SEI filmova i bez litijskih ploča pri brzom punjenju i punjenju na niskoj temperaturi. Termička stabilnost pri visokim temperaturama je takođe bolja od drugih Li-ion sistema; međutim, baterija je skupa. Sa samo 65Wh / kg, specifična energija je niska, što odgovara rizicima NiCd. Li-titanat se puni na 2.80V / ćeliju, a kraj pražnjenja je 1.80V / ćeliju. Slika 13 ilustruje karakteristike Li-titanat baterije. Tipične primjene su električni pogoni, UPS i solarna ulična rasvjeta.
 

Pregledna tabela

Tabela 14: Karakteristike litijum titanata.

Slika 15 uspoređuje specifičnu energiju sistema na bazi olova, nikla i litija. Dok je Li-aluminijum (NCA) jasan pobednik skladištenja većeg kapaciteta od ostalih sistema, ovo se odnosi samo na specifičnu energiju. U pogledu specifične snage i termičke stabilnosti, Li-mangan (LMO) i Li-fosfat (LFP) su superiorni. Li-titanat (LTO) može imati mali kapacitet, ali ova hemija nadmašuje većinu drugih baterija u pogledu životnog vijeka i ima najbolje performanse za hladnu temperaturu. Kretanje prema električnom pogonu, sigurnost i životni ciklus će dobiti dominaciju nad kapacitetom. (LCO označava Li-kobalt, originalni Li-ion.)

Slika 15: Tipična specifična energija baterija na bazi olova, nikla i litija.
NCA uživa najvišu specifičnu energiju; međutim, mangan i fosfat su superiorni u pogledu specifične snage i termičke stabilnosti. Li-titanat ima najbolji životni vek.
^{Ljubaznošću Cadexa}