Typer av litiumjon

Källa: https://batteryuniversity.com

Litiumjon är namngiven för dess aktiva material; orden är antingen skrivna i sin helhet eller förkortad med deras kemiska symboler. En serie bokstäver och siffror som ströms ihop kan vara svår att komma ihåg och ännu svårare att uttala, och batterikemikalier identifieras också med förkortade brev.

Till exempel har litiumkoboltoxid, en av de vanligaste Li-jonerna, de kemiska symbolerna LiCoO ₂ och förkortningen LCO. Av enkelhetsskäl kan den korta typen Li-kobolt också användas för detta batteri. Kobolt är det viktigaste aktiva materialet som ger denna batterityp. Andra Li-ion-kemikalier ges liknande kortformiga namn. Det här avsnittet innehåller sex av de vanligaste Li-jonerna. Alla avläsningar är medelvärderingar vid skrivningstillfället.

Litium koboltoxid (LiCoO2)

Dess högspecifika energi gör Li-kobolt till det populära valet för mobiltelefoner, bärbara datorer och digitalkameror. Batteriet består av en koboltoxidkatod och en grafitkolanod. Katoden har en skiktad struktur och vid urladdning flyttar litiumjoner från anoden till katoden. Flödet vänder på laddning. Nackdelen med Li-kobolt är en relativt kort livslängd, låg termisk stabilitet och begränsad lastkapacitet (specifik kraft). Figur 1 illustrerar strukturen.

Nackdelen med Li-kobolt är en relativt kort livslängd, låg termisk stabilitet och begränsad lastkapacitet (specifik kraft). Liksom annan koboltblandad Li-ion har Li-kobolt en grafitanod som begränsar cykellivet med ett ändrat fast elektrolytgränssnitt (SEI) , förtjockning på anoden och litiumplätering medan snabb laddning och laddning vid låg temperatur. Nyare system inkluderar nickel, mangan och / eller aluminium för att förbättra livslängd, lastkapacitet och kostnad.

Li-kobolt bör inte laddas och släppas vid en ström som är högre än dess C-klassificering. Detta innebär att en 18650-cell med 2.400mAh endast kan laddas och laddas ur 2,400mA. Tvinga en snabb laddning eller applicera en belastning högre än 2.400mA orsakar överhettning och otillbörlig stress. För optimal snabb laddning rekommenderar tillverkaren en C-hastighet på 0,8C eller ca 2000mA. (Se e BU-402: Vad är C-rate ). Den obligatoriska batterikretsens krets begränsar laddnings- och urladdningshastigheten till en säker nivå på ca 1C för energicellen.

Den hexagonala spindelbilden (Figur 2) sammanfattar prestationen av Li-kobolt i termer av specifik energi eller kapacitet som hänför sig till runtime; specifik kraft eller förmågan att leverera hög ström; säkerhet; prestanda vid varma och kalla temperaturer; livslängd som speglar cykelliv och livslängd och kostnad . Andra egenskaper av intresse som inte visas i spindelbanorna är toxicitet, snabbladdningskapacitet, självurladdning och hållbarhet. (Se BU-104c: Octagon Battery - Vad gör ett batteri ett batteri ).

Li-kobolt förlorar favör till Li-mangan, men speciellt NMC och NCA på grund av den höga kostnaden för kobolt och förbättrad prestanda genom att blanda med andra aktiva katodmaterial. (Se beskrivning av NMC och NCA nedan.)

Översiktstabell

Tabell 3: Egenskaper för litium koboltoxid.

Litiummanganoxid (LiMn204)

Li-ion med manganspirel publicerades först i materialforskningsbulletinen 1983. 1996 marknadsförde Moli Energy en Li-joncell med litiummanganoxid som katodmaterial. Arkitekturen bildar en tredimensionell spinellstruktur som förbättrar jonflödet på elektroden, vilket resulterar i lägre inre motstånd och förbättrad strömhantering. En ytterligare fördel med spinel är hög termisk stabilitet och ökad säkerhet, men cykel- och kalenderlivet är begränsat.

Lågt inre cellmotstånd möjliggör snabb laddning och högströmsladdning. I ett 18650-paket kan Li-mangan släppas ut vid strömmar på 20-30A med måttlig värmeuppbyggnad. Det är också möjligt att applicera en sekund belastningsimpulser på upp till 50A. En kontinuerlig hög belastning vid denna ström skulle orsaka värmeuppbyggnad och celltemperaturen kan inte överstiga 80 ° C (176 ° F). Li-mangan används för elverktyg, medicinska instrument samt hybrid- och elfordon.

Figur 4 illustrerar bildandet av en tredimensionell kristallin ram på katoden av ett Li-manganbatteri. Denna spinellstruktur, som vanligtvis består av diamantformer kopplade till en gitter, framträder efter inledande bildning.

Li-mangan har en kapacitet som är ungefär en tredjedel lägre än Li-kobolt. Design flexibilitet gör det möjligt för ingenjörer att maximera batteriet för antingen optimal livslängd (livslängd), maximal lastström (specifik effekt) eller hög kapacitet (specifik energi). Exempelvis har den långa livsversionen i 18650-cellen en måttlig kapacitet på endast 1100mAh; Högkapacitetsversionen är 1500 mAh.

Figur 5 visar spindelnätet av ett typiskt Li-manganbatteri. Egenskaperna förefaller marginella, men nyare mönster har förbättrats när det gäller specifik kraft, säkerhet och livslängd. Ren Li-manganbatterier är inte längre vanliga idag; De får bara användas för speciella applikationer.

De flesta Li-manganbatterier blandas med litium nickel mangan koboltoxid (NMC) för att förbättra den specifika energin och förlänga livslängden. Denna kombination ger det bästa i varje system, och LMO (NMC) är vald för de flesta elfordon, som Nissan Leaf, Chevy Volt och BMW i3. LMO-delen av batteriet, som kan vara ca 30 procent, ger hög strömförstärkning vid acceleration; NMC-delen ger det långa körområdet.

Li-ionforskning graviterar kraftigt mot att kombinera Li-mangan med kobolt, nickel, mangan och / eller aluminium som aktivt katodmaterial. I någon arkitektur läggs en liten mängd kisel till anoden. Detta ger en 25 procent kapacitetsökning. Förhöjningen är emellertid vanligen kopplad till ett kortare livslängd eftersom kisel växer och krymper med laddning och urladdning, vilket medför mekanisk stress.

Dessa tre aktiva metaller, såväl som kiselförstärkningen kan lämpligen väljas för att förbättra den specifika energin (kapacitet), specifik effekt (belastningsförmåga) eller livslängd. Medan konsumentbatterierna går för hög kapacitet kräver industriella applikationer batterisystem som har bra laddningsegenskaper, ger lång livslängd och ger en säker och pålitlig service.

Översiktstabell

Tabell 6: Karakteristik av litiummanganoxid.

Lithiumnickelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC)

Ett av de mest framgångsrika Li-jonsystemen är en katodkombination av nickel-mangan-kobolt (NMC). På liknande sätt som Li-mangan kan dessa system skräddarsys för att betjäna som energiceller eller strömceller . Exempelvis har NMC i en 18650-cell för måttligt lastförhållande en kapacitet på ca 2800mAh och kan leverera 4A till 5A; NMC i samma cell optimerad för specifik effekt har en kapacitet på endast ca 2000 mAh men levererar en kontinuerlig utströmningsström på 20A. En kiselbaserad anod kommer att gå till 4000mAh och högre men med reducerad belastningsförmåga och kortare livslängd. Silikon tillsatt till grafit har nackdelen att anoden växer och krymper med laddning och urladdning, vilket gör cellen mekaniskt instabil.

Hemligheten hos NMC ligger i att kombinera nickel och mangan. En analogi av detta är bordsalt där huvudingredienserna, natrium och klorid, är giftiga på egen hand, men att blanda dem tjänar som krydda salt och livsmedelskonserver. Nickel är känt för sin högspecifika energi men dålig stabilitet; mangan har fördelen av att bilda en spinelstruktur för att uppnå lågt inre motstånd men erbjuder en låg specifik energi. Kombinera metallerna ökar varandra styrkor.

NMC är batteriet av elverktyg, e-cyklar och andra elmotorer. Katodkombinationen är typiskt en tredjedel nickel, en tredjedel mangan och en tredjedel kobolt, även känd som 1-1-1. Detta ger en unik blandning som också sänker råmaterialkostnaden på grund av minskat koboltinnehåll. En annan framgångsrik kombination är NCM med 5 delar nickel, 3 delar kobolt och 2 delar mangan (5-3-2). Andra kombinationer som använder olika mängder katodmaterial är möjliga.

Batteriproducenter flyttar sig från koboltsystem mot nickelkatoder på grund av den höga kostnaden för kobolt. Nickelbaserade system har högre energidensitet, lägre kostnad och längre livslängd än de koboltbaserade cellerna, men de har en något lägre spänning.

Nya elektrolyter och tillsatser möjliggör laddning till 4,4 V / cell och högre för att öka kapaciteten. Figur 7 visar egenskaperna hos NMC.

Det finns ett drag mot NMC-blandad Li-ion eftersom systemet kan byggas ekonomiskt och det uppnår en bra prestanda. De tre aktiva materialen av nickel, mangan och kobolt kan enkelt blandas för att passa ett brett utbud av applikationer för fordons- och energilagringssystem (EES) som kräver frekvent cykling. NMC-familjen växer i sin mångfald.

Översiktstabell

Tabell 8: Egenskaper för litiumnickelkobaltoxid (NMC).

Litiumjärnfosfat (LiFePO ₄ )

1996 upptäckte University of Texas (och andra bidragsgivare) fosfat som katodmaterial för uppladdningsbara litiumbatterier. Li-fosfat ger bra elektrokemisk prestanda med låg resistans. Detta görs möjligt med nanoskala fosfatkatodmaterial. De viktigaste fördelarna är hög ström och lång livslängd, förutom god termisk stabilitet, ökad säkerhet och tolerans om de missbrukas.

Li-fosfat är mer tolerant mot full laddningsförhållanden och är mindre stressad än andra litiumjonsystem om de hålls vid hög spänning under en längre tid. (Se BU-808: hur man förlänger litiumbaserade batterier ). Som en avvägning minskar den lägre nominella spänningen på 3,2 V / cell den specifika energin under den av koboltblandad litiumjon. Med de flesta batterier minskar kyltemperaturen prestanda och förhöjd förvaringstemperatur förkortar livslängden och Li-fosfat är inget undantag. Li-fosfat har högre självladdning än andra Li-ion-batterier, vilket kan orsaka balansering av problem med åldrande. Detta kan mildras genom att köpa högkvalitativa celler och / eller använda sofistikerad kontrollelektronik, vilka båda ökar kostnaden för förpackningen. Renlighet i tillverkningen är av betydelse för livslängden. Det finns ingen tolerans för fukt, för att batteriet bara ska leverera 50 cykler. Figur 9 sammanfattar egenskaperna hos Li-fosfat.

Li-fosfat används ofta för att ersätta blybatteriet batteri. Fyra celler i serie ger 12,80V, en likartad spänning till sex 2V blyceller i serie. Fordon laddar blysyra till 14,40V (2,40V / cell) och upprätthåller en toppad laddning. Uppladdningsladdning tillämpas för att upprätthålla full laddningsnivå och förhindra sulfatering på l ea syra batterier.

Med fyra Li-fosfat celler i serie, varje cell toppar vid 3,60V, vilket är rätt full laddning spänning. Vid denna tidpunkt bör laddningen kopplas från men laddningsavgiften fortsätter under körning. Li-fosfat är tolerant mot viss överladdning; Emellertid kan spänningen vid 14,40V under en längre tid, som de flesta fordon gör på en lång vägresa, påverka Li-fosfat. Tiden kommer att berätta hur slitstarkt Li-fosfat kommer att vara som ledarsyrautbyte med ett vanligt laddningssystem för fordon. Kalltemperaturen minskar också prestandan av Li-ion och detta kan påverka vevningsförmågan i extrema fall.

Översiktstabell

Tabell 10: Egenskaper för litiumjärnfosfat.

Litiumnickalkobalt Aluminiumoxid (LiNiCoAlO2)

Lithium nickel kobolt aluminiumoxid batteri, eller NCA, har funnits sedan 1999 för speciella applikationer. Den delar likheter med NMC genom att erbjuda hög specifik energi, rimligt bra specifik kraft och en lång livslängd. Mindre smickrande är säkerhet och kostnad. Figur 11 sammanfattar de sex nyckelegenskaperna. NCA är en vidareutveckling av litium-nickeloxid; tillsats av aluminium ger kemin större stabilitet.

Översiktstabell

Tabell 12: Karakteristik av litiumnickkobolt Aluminiumoxid.

Litiumtitanat (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Batterier med litiumtitanatanoder har varit kända sedan 1980-talet. Li-titanat ersätter grafiten i anoden av ett typiskt litiumjonbatteri och materialet bildas i en spinellstruktur. Katoden kan vara litiummanganoxid eller NMC. Li-titanat har en nominell cellspänning på 2,40V, kan snabbt laddas och ger en hög utströmningsström på 10C eller 10 gånger den nominella kapaciteten. Cykeln räknas vara högre än för en vanlig Li-ion. Li-titanat är säkert, har utmärkta temperaturer vid låg temperatur och uppnår en kapacitet på 80 procent vid -30 ° C.

LTO (vanligen Li4Ti ₅ O ₁₂ ) har fördelar jämfört med den konventionella koboltblandade Li-jonen med grafitanod genom att uppnå nollstansegenskaper, ingen SEI-filmbildning och ingen litiumplätering vid snabb laddning och laddning vid låg temperatur. Termisk stabilitet under hög temperatur är också bättre än andra Li-jonsystem; Batteriet är dock dyrt. Vid endast 65Wh / kg är den specifika energin låg, rivande den hos NiCd. Li-titanat laddas till 2,80 V / cell, och slutet av urladdning är 1,80 V / cell. Figur 13 illustrerar egenskaperna hos Li-titanatbatteriet. Typiska användningsområden är elmotorer, UPS och soldriven gatubelysning.
 

Översiktstabell

Tabell 14: Karakteristik av litiumtitanat.

Figur 15 jämför den specifika energin hos bly-, nickel- och litiumbaserade system. Medan Li-aluminium (NCA) är den tydliga vinnaren genom att lagra mer kapacitet än andra system gäller detta endast för specifik energi. När det gäller specifik kraft- och termisk stabilitet är Li-mangan (LMO) och Li-fosfat (LFP) överlägsen. Li-titanat (LTO) kan ha låg kapacitet, men denna kemi överlever de flesta andra batterier när det gäller livslängd och har också den bästa temperaturen i kalltemperaturen. Att flytta mot elkraft, säkerhet och cykelliv får dominans över kapaciteten. (LCO står för Li-kobolt, den ursprungliga Li-jonen.)

Figur 15: Typisk specifik energi av bly-, nickel- och litiumbaserade batterier.
NCA har den högsta specifika energin; Mangan och fosfat är emellertid överlägsen när det gäller specifik kraft- och termisk stabilitet. Li-titanat har den bästa livslängden.
^{Courtesy of Cadex}