Bagaimana Mnay jenis jenis Lithium-ion di sana?

- Jan 05, 2017-

Litium kobalt oksida (LiCoO2)

Tinggi tenaga tertentu menjadikan Li-kobalt pilihan yang popular untuk telefon bimbit, komputer riba dan kamera digital. Bateri terdiri daripada sebuah kobalt oksida katod dan katod karbon yang grafit. Katod mempunyai struktur berlapis dan semasa pelepasan, litium ion-ion bergerak dari katod ke katod. Aliran membalikkan caj. Kelemahan Li-kobalt adalah jangka hayat yang agak pendek, kestabilan haba yang rendah dan keupayaan muatan yang terhad (kuasa tertentu). Rajah 1 menunjukkan struktur.

Li-cobalt structure

Rajah 1:Li-kobalt struktur.
Katod mempunyai struktur berlapis. Semasa melaksanakan lithium ion-ion bergerak dari katod ke katod; atas pertuduhan aliran adalah dari katod ke katod.
Ihsan daripada Cadex

Kelemahan Li-kobalt adalah jangka hayat yang agak pendek, kestabilan haba yang rendah dan keupayaan muatan yang terhad (kuasa tertentu). Li-kobalt matang dan sistem baru termasuk nikel, mangan dan/atau aluminium untuk meningkatkan umur panjang, memuatkan keupayaan dan kos.

Li-kobalt harus tidak dicas dan dinyahcas pada arus lebih tinggi berbanding C-rating. Ini bermakna yang sel yang 18650 dengan 2, 400mAh hanya boleh diisi dan dilepaskan di 2, 400mA. Memaksa caj cepat atau menggunakan beban yang lebih tinggi daripada 2, 400mA menyebabkan tekanan daripada pemanasan melampau dan tidak wajar. Bayaran cepat yang optimum, pengeluar mengesyorkan C-kadar 0.8C atau kira-kira 2, 000mA. (LihatBU-402: Apakah C-rate). Litar perlindungan mandatori bateri menghadkan kadar mengecas dan menyahcas tahap yang selamat daripada kira-kira 1C bagi sel tenaga.

Grafik labah-labah heksagon (Rajah 2) meringkaskan prestasi Li-kobalt segitenaga yang tertentuatau kapasiti yang berkaitan dengan runtime;kuasa tertentuatau keupayaan menyampaikan tinggi semasa;Keselamatan; prestasipada suhu yang panas dan sejuk;jangka hayatmencerminkan kitaran hidup dan umur yang panjang; dankos. Lain-lain ciri-ciri menarik yang tidak ditunjukkan dalam jaringan labah-labah yang terpisah adalah keracunan, keupayaan segera-caj, melepaskan diri dan jangka hayat. (LihatBU - 104c: bateri Octagon – apa yang membuatkan bateri bateri).

Snapshot of an average Li-cobalt battery

Rajah 2:Gambaran bateri Li-kobalt yang sederhana.
Li-kobalt cemerlang pada tenaga khusus yang tinggi tetapi menawarkan hanya sederhana prestasi kuasa tertentu, Keselamatan dan jangka hayat.
Ihsan daripada Cadex


Jadual ringkasan

Litium kobalt oksida:LiCoO2katod (~ 60% Co), grafit katod
Pendek borang: LCO atau Li-cobalt. Sejak tahun 1991
Voltan3.60V nominal; 3.0–4.2V/cell pelbagai operasi biasa
Tenaga khusus (kapasiti)150 – 200Wh/kg. Sel-sel khusus menyediakan sehingga 240Wh/kg.
Caj (C-kadar)0.7-1 C, caj ke 4.20V (sebahagian sel); caj 3h tipikal. Caj semasa di atas 1C lebih pendek hayat bateri.
Pelepasan (C-kadar)1C; 2.50V terputus. Luahan semasa di atas 1C lebih pendek hayat bateri.
Kitaran hidup500-1000, berkaitan dengan kedalaman pelepasan, beban dan suhu
Runaway haba150° C (° 302 F). Cas menggalakkan runaway haba
AplikasiTelefon bimbit, tablet, komputer riba, kamera
KomenSangat tinggi tenaga tertentu, kuasa tertentu yang terhad. Kobalt adalah mahal. Berkhidmat sebagai tenaga Cell.Market saham telah stabil.

Jadual 3: Ciri-ciri litium kobalt oksida.

Litium mangan oksida (LiMn2O4)

Li-ion dengan mangan spinel julung kali diterbitkan di dalamBuletin penyelidikan bahan-bahanpada tahun 1983. Pada tahun 1996, tenaga Moli pembikinan sel Li-ion dengan lithium mangan oksida sebagai bahan katod. Seni bina yang membentuk struktur tiga dimensi spinel yang meningkatkan aliran ion di elektrod, yang menyebabkan rintangan dalaman yang lebih rendah dan lebih baik pengendalian semasa. Satu kelebihan tambahan spinel adalah meningkatkan keselamatan dan kestabilan haba yang tinggi, tetapi kalendar dan kitaran hayat terhad.

Ketahanan sel dalaman yang rendah membolehkan pengisian yang cepat dan tinggi-semasa melaksanakan. Dalam satu pakej 18650, Li-mangan boleh dilepaskan pada arus yang deras 20-30A dengan pembentukan haba yang sederhana. Ianya juga dapat memohon denyutan beban satu saat sehingga 50A. Beban tinggi berterusan pada semasa ini akan menyebabkan pembentukan haba dan suhu sel tidak boleh melebihi 80° C (176° F). Li-mangan digunakan untuk kuasa peralatan, alat perubatan, serta hibrid dan kenderaan elektrik.

Rajah 4 menunjukkan pembentukan rangka Kristal tiga dimensi pada katod bateri Li-mangan. Struktur spinel ini, yang biasanya terdiri daripada bentuk diamond yang disambungkan ke sebuah kekisi, muncul selepas pembentukan awal.

Li-manganese structure

Rajah 4: Struktur Li-mangan.
Pembentukan Kristal katod oksida mangan litium mempunyai struktur rangka-kerja tiga dimensi yang muncul selepas pembentukan awal. Spinel menyediakan rintangan rendah tetapi mempunyai tenaga tertentu yang lebih sederhana daripada cobalt.
Ihsan daripada Cadex

Li-mangan mempunyai kapasiti yang terletak kira-kira satu pertiga lebih rendah daripada Li-cobalt. Fleksibiliti rekabentuk membolehkan Jurutera untuk memaksimumkan bateri sama ada umur panjang optimum (hayat), semasa beban maksima (kuasa tertentu) atau kapasiti tinggi (tenaga tertentu). Sebagai contoh, versi panjang kehidupan di dalam sel 18650 mempunyai kapasiti sederhana hanya 1, 100mAh; versi high-capacity adalah 1, 500mAh.

Rajah 5 menunjukkan spider web bateri Li-mangan yang tipikal. Ciri-ciri kelihatan kecil tetapi Reka bentuk baru telah meningkat dari segi kuasa tertentu, Keselamatan dan jangka hayat. Bateri Li-mangan yang tulen yang tidak lagi biasa hari ini; mereka hanya boleh digunakan untuk aplikasi khas.

Snapshot of a typical Li-manganese battery

Rajah 5: Gambaran bateri Li-mangan yang tulen.
Walaupun sederhana dalam prestasi keseluruhan, Reka bentuk baru Li-mangan menawarkan peningkatan kuasa tertentu, Keselamatan dan jangka hayat.
Sumber: Boston Consulting Kumpulan

Kebanyakan bateri Li-mangan menggabungkan dengan litium nikel mangan kobalt oksida (NMC) untuk meningkatkan tenaga khusus dan memanjangkan jangka hayat. Kombinasi ini membawa keluar yang terbaik dalam setiap sistem dan LMO (NMC) dipilih untuk Tempahan elektrik kenderaan, seperti daun Nissan, i3 Chevy Volt dan BMW. Bahagian LMO bateri, yang boleh jadi kira-kira 30 peratus, memberi rangsangan yang tinggi semasa pecutan; Bahagian NMC memberikan julat lama memandu.

Penyelidikan Li-ion gravitates secara besar-besaran ke arah menggabungkan Li-mangan dengan cobalt, nikel, mangan dan/atau aluminium sebagai bahan aktif katod. Dalam beberapa senibina, sebilangan kecil daripada silikon ditambah kepada katod. Ini memberi rangsangan kapasiti 25 peratus; Walau bagaimanapun, keuntungan biasanya dihubungkan dengan kitaran hayat yang lebih pendek seperti silikon tumbuh dan mengecut dengan mengecas dan menyahcas, menyebabkan tekanan mekanikal.

Logam aktif ini tiga, serta peningkatan silikon setiap satu akan dipilih untuk meningkatkan tenaga khusus (kapasiti), kuasa tertentu (keupayaan beban) atau panjang umur. Manakala bateri pengguna pergi untuk kapasiti tinggi, perindustrian penahan memerlukan sistem bateri yang mempunyai keupayaan memuatkan baik, memberi kehidupan yang panjang dan menyediakan perkhidmatan yang selamat dan boleh dipercayai.

Jadual ringkasan

Litium mangan oksida:LiMn2O4katod. katod grafit
Pendek borang: LMO atau Li-mangan (struktur spinel) sejak tahun 1996
Voltan3.70V (3.80V) nominal; 3.0–4.2V/cell pelbagai operasi biasa
Tenaga khusus (kapasiti)100 – 150Wh/kg
Caj (C-kadar)0.7-1 C tipikal, 3C maksimum, jagaan 4.20V (sebahagian sel)
Pelepasan (C-kadar)1C; 10C boleh dibuat dengan beberapa sel, 30C pulse (5s), 2.50V tamat
Kitaran hidup300-700 (berkaitan dengan kedalaman pelepasan, suhu)
Runaway haba250° C (° 482 F) tipikal. Caj yang tinggi menggalakkan runaway haba
AplikasiKuasa alat, alat-alat perubatan, powertrains elektrik
KomenKuasa yang tinggi tetapi kurang kapasiti; lebih selamat daripada Li-kobalt; biasanya dicampur dengan NMC untuk memperbaiki prestasi.

Jadual 6: Ciri-ciri litium mangan oksida.

Litium nikel mangan kobalt oksida (LiNiMnCoO2atau NMC)

Salah satu sistem Li-ion yang paling berjaya adalah gabungan katod nikel-mangan-kobalt (NMC). Sama seperti Li-mangan, sistem ini boleh disesuaikan untuk berkhidmat sebagai tenaga sel atau sel-sel kuasa. Sebagai contoh, NMC dalam satu sel 18650 keadaan beban sederhana ini mempunyai kapasiti kediaman kira-kira 2, 800mAh dan boleh menyampaikan 4A untuk 5A; NMC dalam sel yang sama yang dioptimumkan untuk kuasa tertentu mempunyai kapasiti hanya kira-kira 2, 000mWh tetapi menyampaikan arus pelepasan berterusan 20A. Katod berasaskan silikon yang akan pergi ke 4, 000mAh dan lebih tinggi tetapi keupayaan beban dikurangkan dan lebih pendek kitaran kehidupan. Silikon yang ditambah kepada grafit mempunyai kelemahannya yang katod tumbuh dan mengecut dengan mengecas dan menyahcas, membuat sel mekanikal tidak stabil.

Rahsia NMC terletak di menggabungkan nikel dan mangan. Satu analogi ini adalah garam di mana bahan-bahan utama, sodium dan klorida, adalah toksik mereka sendiri tetapi mereka mencampurkan berfungsi sebagai perasa garam dan makanan yang Maha pemelihara. Nikel terkenal kerana budi tinggi tenaga tertentu tetapi miskin kestabilan; mangan mempunyai kelebihan membentuk struktur yang spinel untuk mencapai rintangan dalaman yang rendah tetapi menawarkan tenaga khusus yang rendah. Menggabungkan logam meningkatkan kekuatan antara satu sama lain.

NMC adalah bateri pilihan untuk kuasa peralatan, e-basikal dan lain-lain powertrains elektrik. Gabungan katod secara lazimnya nikel satu pertiga, satu pertiga mangan dan kobalt satu per tiga, juga dikenali sebagai 1-1-1. Ini menawarkan gabungan unik yang juga merendahkan kos bahan mentah yang disebabkan oleh kandungan kobalt dikurangkan. Kombinasi berjaya lain adalah NCM dengan 5 bahagian nikel, kobalt bahagian 3 dan 2 bahagian mangan. Satu gabungan yang menggunakan pelbagai jumlah bahan katod adalah dibolehkan. Electrolytes baru dan tambahan membolehkan mengenakan bayaran kepada 4.4V / your dan lebih tinggi untuk meningkatkan keupayaan. Rajah 7 menunjukkan ciri-ciri NMC ini.

Snapshot of NMC

Rajah 7: Gambaran NMC.
NMC mempunyai prestasi keseluruhan yang baik dan cemerlang pada tenaga tertentu. Bateri ini adalah calon pilihan untuk kenderaan elektrik dan mempunyai kadar paling rendah diri Pemanas.
Sumber: Boston Consulting Kumpulan

Terdapat satu langkah ke arah Li-ion dicampur dengan NMC kerana sistem akan dibina ekonomi dan ia mencapai prestasi yang baik. Bahan-bahan aktif yang tiga nikel, mangan dan kobalt dengan mudah boleh diadun untuk disesuaikan dengan pelbagai aplikasi untuk automotif dan sistem storan tenaga (EES) yang perlu kerap Berbasikal. Keluarga NMC berkembang dalam kepelbagaian.

Jadual ringkasan

Litium nikel mangan kobalt oksida:LiNiMnCoO2. katod, grafit katod
Pendek borang: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN serupa dengan kombinasi logam yang berlainan) sejak tahun 2008
Voltan3.60V, 3.70V, nominal; tipikal operasi pelbagai 3.0–4.2V/cell, atau lebih tinggi
Tenaga khusus (kapasiti)150 – 220Wh/kg
Caj (C-kadar)0.7-1 C, caj kepada 4.20V, ada yang pergi kepada 4.30V; caj 3h tipikal. Caj semasa di atas 1C lebih pendek hayat bateri.
Pelepasan (C-kadar)1C; 2C mungkin pada sesetengah sel; 2.50V tamat
Kitaran hidup1000-2000 (berkaitan dengan kedalaman pelepasan, suhu)
Runaway haba210° C (° 410 F) tipikal. Caj yang tinggi menggalakkan runaway haba
AplikasiE-Basikal, alat-alat perubatan, EVs, Perindustrian
KomenMenyediakan kapasiti tinggi dan kuasa tinggi. Berperanan sebagai sel hibrid. Kegemaran kimia untuk kegunaan ramai; syer pasaran semakin meningkat.

Jadual 8: Ciri-cirilitium nikel mangan kobalt oksida (NMC).

Litium besi fosfat (LiFePO4)

Pada tahun 1996, Universiti Texas (dan penyumbang-penyumbang lain) menemui fosfat sebagai katod bahan untuk bateri boleh dicas semula litium. Li-fosfat menawarkan prestasi elektrokimia yang baik dengan rintangan rendah. Ini tercapai dengan skala nano fosfat katod bahan. Kelebihan utama adalah penilaian semasa yang tinggi dan panjang kitaran hidup, selain kestabilan haba yang baik, meningkatkan keselamatan dan toleransi jika disalahgunakan.

Li-fosfat adalah lebih toleran kepada syarat-syarat cas penuh dan adalah kurang menekankan daripada sistem-sistem litium-ion yang lain jika disimpan pada voltan tinggi untuk masa yang lama. (LihatBU-808: Bagaimana untuk memanjangkan berasaskan litium bateri). Sebagai off-perdagangan yang, voltan nominal yang lebih rendah sebanyak 3.2V / bimbit mengurangkan tenaga khusus di bawah yang berasaskan kobalt litium-ion. Dengan kebanyakan bateri, suhu sejuk mengurangkan prestasi dan suhu dinaikkan menyimpan lebih pendek hayat perkhidmatan dan Li-fosfat juga tidak terkecuali. Li-fosfat mempunyai tinggi diri melepaskan daripada bateri Li-ion lain, yang boleh menyebabkan isu-isu mengimbangi dengan penuaan. Kebersihan dalam sektor pembuatan adalah penting untuk panjang umur. Terdapat tiada tolak ansur untuk kelembapan, kalau-kalau bateri hanya akan menyerahkan 50 pusingan. Rajah 9 meringkaskan ciri Li-fosfat.

Li-fosfat sering digunakan untuk menggantikan bateri starter asid plumbum. Sel-sel yang empat dalam siri menghasilkan 12.80V, sama dengan voltan enam 2V membawa asid sel-sel dalam siri. Kenderaan mengenakan asid plumbum untuk 14.40V (2.40V / your) dan mengekalkan caj topping. Dengan empat sel-sel Li-fosfat dalam siri, setiap sel puncak pada 3.60V, yang merupakan voltan penuh-charge yang betul. Pada masa ini, pertuduhan itu hendaklah diputuskan tapi caj topping terus semasa memandu. Li-fosfat adalah bertoleransi kepada beberapa overcharge; Walau bagaimanapun, mengekalkan voltan di 14.40V untuk masa yang lama, kerana kebanyakan kenderaan dilakukan dalam jarak pemanduan yang panjang, boleh tekanan Li-fosfat. Memulakan operasi suhu sejuk juga boleh isu dengan Li-fosfat sebagai bateri starter.

Snapshot of a typical Li-phosphate battery

Rajah 9: Gambaran bateri Li-fosfat yang tipikal.
Li-fosfat mempunyai keselamatan yang sangat baik dan panjang jangka hayat tetapi sederhana khusus tenaga dan bertingkat diri melaksanakan.
Ihsan daripada Cadex


Jadual ringkasan

Litium fosfat besi:LiFePO4katod, grafit katod
Pendek borang: LFP atau Li-fosfat sejak tahun 1996
Voltan3.20, 3.30V nominal; 2.5–3.65V/cell pelbagai operasi biasa
Tenaga khusus (kapasiti)90 – 120Wh/kg
Caj (C-kadar)1C tipikal, caj ke 3.65V; 3h masa cas tipikal
Pelepasan (C-kadar)1C, 25C beberapa sel; 40A pulse (2s); 2.50V tamat (rendah 2V itu menyebabkan kerosakan)
Kitaran hidup1000-2000 (berkaitan dengan kedalaman pelepasan, suhu)
Runaway haba270° C (° 518 F) sangat selamat bateri walaupun dicas sepenuhnya
AplikasiMudah alih dan tidak bergerak memerlukan arus beban yang tinggi dan daya tahan
KomenVoltan yang sangat rata pelepasan curve tetapi kapasiti yang rendah. Salah satu yang paling selamat
Li-ion. Digunakan untuk pasaran khas. Bertingkat yang melepaskan diri.

Jadual 10: Ciri-cirilitium besi fosfat.

Litium nikel kobalt Aluminium oksida (LiNiCoAlO2)

Bateri litium nikel kobalt Aluminium oksida, atau NCA, telah pun wujud sejak tahun 1999 untuk aplikasi khas. Ia berkongsi persamaan dengan NMC dengan menawarkan tenaga khusus yang tinggi, kuasa tertentu yang agak baik dan jangka hayat yang panjang. Kurang flattering adalah Keselamatan dan kos. Rajah 11 meringkaskan enam ciri-ciri utama. NCA adalah satu perkembangan lanjut litium oksida nikel; menambah aluminium memberikan kestabilan kimia lebih besar.

Snapshot of NCA

Rajah 11: Gambaran NCA.
Kuasa tenaga yang tinggi dan kepadatan kuasa, serta jangka hayat yang baik, membuat calon Qaulul EV powertrains. Kos yang tinggi dan peningkatan Keselamatan adalah negatif.
Ihsan daripada Cadex


Jadual ringkasan

Litium nikel kobalt Aluminium oksida:LiNiCoAlO2katod (~ 9% Co), grafit katod
Pendek borang: NCA atau Li-aluminium. Sejak tahun 1999
Voltan3.60V nominal; 3.0–4.2V/cell pelbagai operasi biasa
Tenaga khusus (kapasiti)200-260Wh/kg; 300Wh/kg boleh diramal
Caj (C-kadar)C 0.7, caj ke 4.20V (sebahagian sel), 3 h caj caj biasa, cepat boleh dibuat dengan beberapa sel-sel
Pelepasan (C-kadar)1C biasa; 3.00V tamat; kadar pelepasan tinggi lebih pendek hayat bateri
Kitaran hidup500 (berkaitan dengan kedalaman pelepasan, suhu)
Runaway habaCaj biasa, tinggi 150° C (° 302 F) menggalakkan runaway haba
AplikasiPeralatan perubatan, industri, enjin elektrik (Tesla)
KomenBerkongsi persamaan dengan Li-cobalt. Berkhidmat sebagai tenaga sel.

Jadual 12: Ciri-ciri litium nikel kobalt Aluminium oksida.

Litium Titanate (Li4Ti5O12)

Bateri dengan litium titanate anodes telah diketahui sejak tahun 1980-an. Li-titanate menggantikan grafit di katod bateri litium-ion tipikal dan borang-borang penting ke dalam struktur spinel. Katod boleh litium mangan oksida atau NMC. Li-titanate mempunyai voltan nominal sel yang 2.40V, boleh dicaj cepat dan menyampaikan arus tinggi pelepasan 10 C, atau 10 kali keupayaan terkadar. Kiraan kitaran dikatakan lebih tinggi daripada Li-ion yang tetap. Li-titanate selamat, mempunyai ciri-ciri cemerlang suhu rendah pelepasan dan mendapat kapasiti 80 peratus pada –30 ° C (–22 ° F). Walau bagaimanapun, bateri adalah mahal dan 65Wh/kg tenaga tertentu adalah rendah, rivalling yang NiCd. Bayaran Li-titanate 2.80V / sel, dan di penghujung luahan 1.80V / your. Rajah 13 menunjukkan ciri-ciri bateri Li-titanate. Kegunaan biasa ialah powertrains elektrik, UPS dan lampu jalan berkuasa solar.

Snapshot of Li-titanate

Rajah 13: Gambaran Li-titanate.
Li-titanate cemerlang dalam Keselamatan, prestasi rendah-suhu dan jangka hayat. Usaha sedang dilakukan untuk memperbaiki tertentu tenaga dan kos yang lebih rendah.
Sumber: Boston Consulting Kumpulan

Jadual ringkasan

Litium Titanate:Boleh litium mangan oksida atau NMC; Li4Ti5O12katod (titanate)
Pendek borang: LTO atau Li-titanate terdapat secara komersial sejak kira-kira tahun 2008.
Voltan2.40V nominal; 1.8–2.85V/cell pelbagai operasi biasa
Tenaga khusus (kapasiti)70 – 80Wh/kg
Caj (C-kadar)1C biasa; Caj maksimum, 5C kepada 2.85V
Pelepasan (C-kadar)10C mungkin, nadi 30C 5s; 1.80V tamat pada LCO/LTO
Kitaran hidup3,000–7,000
Runaway habaSalah satu bateri Li-ion yang paling selamat
AplikasiUPS, enjin elektrik (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV),
lampu jalan berkuasa solar
KomenSepanjang hayat, caj cepat, Julat suhu yang luas tetapi tenaga khusus yang rendah dan mahal. Antara bateri Li-ion yang paling selamat.

Jadual 14: Ciri-ciri titanate litium.

Rajah 15 membandingkan tenaga khusus plumbum, nikel dan litium-based sistem. Manakala Li-aluminium (NCA) adalah pemenang yang jelas dengan menyimpan lebih kapasiti berbanding sistem lain, ini hanya terpakai kepada tenaga tertentu. Dari segi kuasa tertentu dan kestabilan haba, Li-mangan (LMO) dan Li-fosfat (LFP) yang unggul. Li-titanate (LTO) mungkin mempunyai kapasiti yang rendah tetapi kimia ini outlives kebanyakan bateri lain dari segi jangka hayat dan juga mempunyai prestasi terbaik suhu sejuk. Bergerak ke arah sistem aliran kuasa elektrik, Keselamatan dan kitaran kehidupan akan mendapat penguasaan ke atas kapasiti. (LCO berdiri untuk Li-kobalt, Li-ion yang asal.)

Battery Chemistries

Rajah 15: Tipikal tertentu tenaga plumbum, nikel dan bateri litium-based.
NCA menikmati tenaga tertinggi tertentu; Walau bagaimanapun, mangan dan fosfat adalah baik dari segi kuasa tertentu dan kestabilan haba. Li-titanate mempunyai jangka hayat yang terbaik.