Литий-никель-марганец-кобальтоксидная батарея (NMC) - Производитель LiNiMnCoO2

1) Обзор тройной литиевой батареи

Тройная литиевая батарея относится к литиевой батарее, в которой в качестве анодного материала используются тройные материалы из оксида лития, никеля, кобальта, марганца (LiNiMnCoO2, NMC) или алюмината лития, никеля и кобальта (NCA). Тернарный означает разные пропорции для различных корректировок соли никеля, соли кобальта и соли марганца как трех разных компонентов. Многие батареи имеют разные пропорции тройных материалов.

По форме тройные литиевые батареи можно разделить на батареи с мягким корпусом, цилиндрические батареи и квадратные батареи с твердой оболочкой. Его номинальное напряжение может достигать 3,6-3,8 В. Он обладает высокой плотностью энергии, высоковольтной платформой, высокой плотностью отводов, большим диапазоном выносливости, большой выходной мощностью, отличными характеристиками при низких температурах, но плохой стабильностью при высоких температурах и имеет высокую стоимость.

1. Плотность оксида лития, никеля, марганца, кобальта.

В настоящее время разработанные тройные анодные материалы включают NMC111, NMC442, NMC532, NMC622, NMC811 и NCA. Сравнение производительности этих тройных материалов показано в следующей таблице.

Таблица сравнения характеристик троичных материалов

2. Структура оксида лития, никеля, марганца, кобальта.

Камбийоподобная структура тройного материала никель-кобальт-марганец состоит из гексагональной плотной упаковки. Его структура и химическое уравнение заряда - разряда следующие:

Кристаллическая структура никель-кобальт-марганцевого тройного анодного материала

3. Химическое уравнение заряда и разряда.

Разрядка: LiNixMnyCozO2 → Li1-tNixMnyCozO2 + tLi ++ te

Заряд: Li1-tNixMnyCozO2 + tLi ++ te → LiNixMnyCozO2

3.2V 20A Низкотемпературная батарея LiFePO4 -40℃ 3C Разрядная емкость ≥70% Температура зарядки: -20~45℃ Температура разрядки: -40~+55℃ пройти тест на иглоукалывание -40℃ максимальная скорость разряда: 3C

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

В тройной материал никель-марганец-кобальт включение марганцевого элемента может повысить стабильность материала, так что структура не разрушится из-за внедрения ионов лития. Добавление никеля может увеличить емкость и стать новым валентным элементом. Тогда трехкомпонентная система анодного материала представлена NMC.

2) Преимущества и недостатки тройной литиевой батареи

Преимущества тройной литиевой батареи

1. Платформа высокого напряжения

Платформа напряжения - важный показатель плотности энергии батареи, который определяет базовую эффективность и стоимость батареи. Поэтому выбор материалов для аккумуляторов имеет большое значение. Чем выше платформа напряжения, тем больше удельная емкость. При одинаковом объеме, весе и даже в ампер-часах, чем выше платформа напряжения, тем дольше срок службы литиевой батареи из тройного материала. Платформа напряжения тройного материала значительно выше, чем у фосфата лития-железа. С высоковольтной линией до 4,2 вольт и разрядной площадкой может быть до 3,6 или 3,7 вольт.

2. Высокая плотность энергии

Высокая плотность энергии является самым большим преимуществом тройных литиевых батарей, в то время как платформа напряжения является важным показателем плотности энергии батареи, которая определяет базовую производительность и стоимость батарей. Чем выше платформа напряжения, тем больше удельная емкость. Следовательно, при одинаковом объеме, весе и даже ампер-часах, чем выше платформа напряжения, тем дольше срок службы литиевой батареи из тройного материала.

3. Высокая плотность отводов

Плотность утряски относится к массе на единицу объема, измеренной после вибрации порошка в контейнере при определенных условиях. Плотность утряски или объемная плотность (называемая кажущейся плотностью в некоторых отраслях промышленности) определяется как масса образца, деленная на его объем, который включает сам образец, поровое пространство образца и объем зазора между образцами.

Недостатки тройной литиевой батареи

Низкая безопасность: температура аккумулятора резко повышается после зарядки и разрядки с высокой мощностью, а после высокой температуры выделяется кислород, который очень легко сжечь.

Плохая устойчивость к высоким температурам: при высоких температурах это может повлиять на производительность аккумулятора.

Короткий срок службы: при стандартных условиях (рабочая температура 25 ℃, коэффициент заряда и разряда 0,5 ° C) срок службы батареи составляет 2000 ~ 3000 раз.

Плохая зарядка и разрядка: при большой скорости заряда и разряда время работы от аккумулятора резко сокращается;

3) Характеристики оксида лития, никеля, кобальта, марганца (NMC)

4) Аккумулятор NMC 622

Батарея NMC622 относится к тройной литиевой батарее, в которой соотношение анодного материала никеля, кобальта и марганца составляет 6: 2: 2. В настоящее время материал NMC622 является одним из широко используемых материалов NMC с высоким содержанием никеля, и емкость этого материала может составлять более 180 мАч / г, что намного выше, чем у обычных материалов LiCoO2. Однако высокое содержание Ni снижает термическую стабильность материала, влияет на срок службы материала, поэтому исследователи разработали ряд методов для улучшения циклической стабильности материала NMC622, таких как покрытие поверхности, легирование элементов, добавки к электролиту и т. Д.

5) Аккумулятор NMC 811

Батарея NMC811 с высоким содержанием никеля представляет собой тройную литиевую батарею, в которой доля анодного материала никель-кобальт-марганец составляет 8: 1: 1, а доля никеля составляет до 80%. Этот материал представляет собой новый тип анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, разработанный в последние годы. Он имеет преимущества высокой плотности энергии, хорошей стабильности цикла и разумной стоимости.

Низкотемпературный прочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Спецификация аккумулятора: 11,1 В 7800 мАч -40 ℃ 0,2 C разрядная емкость ≥80% Пыленепроницаемый, устойчивый к падению, антикоррозийный, антиэлектромагнитный

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

NMC 811 использует Mn SO4 · H2O, Ni SO4 · 6H2O и Co SO4 · 7H2O для приготовления раствора необходимой концентрации в соответствии с молярным соотношением 8: 1: 1. Поместите раствор соли металла, водный аммиак и раствор едкого натра в 50-литровый реактор с непрерывным перемешиванием при постоянной температуре 60 ℃, и необходимый прекурсор Ni0,8Co0,1Mn0,1 (OH) 2 будет синтезирован при определенных технологических условиях с использованием азота. защита. В соответствии с молярным соотношением источника лития и предшественника 1,05: 1 необходимое сырье взвешивается и равномерно перемешивается в высокоскоростном смесителе с частотой 30 Гц. Вышеуказанные смеси спекаются с 80% (об.) Кислорода при различных условиях процесса спекания, а затем получают Li Ni0,8Co0,1Mn0,1O2.

6) NMC против батареи NCA

По составу анодных материалов тройные литиевые батареи можно разделить на NCA и NMC.

NMC представляет собой анодный материал, состоящий из трех материалов никель-кобальт-марганец в определенной пропорции, в то время как анодный материал NCA состоит из никель-кобальт-алюминия, каждая буква соответствует химическим инициалам связанных элементов. Как видите, первые два тройных материала одинаковы, никель и кобальт, за исключением последнего, марганца и алюминия.

NMC относится к тройному материалу LiNixCoyMn1-x-yO2, который является наиболее распространенным тройным материалом в настоящее время и также считается тенденцией развития. В батареях NMC материалы NMC можно разделить на NMC111, NMC523, NMC622 и NMC811 в соответствии с их содержанием, среди которых последнее число представляет собой пропорцию материалов. С увеличением содержания никеля увеличивается удельная энергия батареи. Плотность энергии тройной батареи типа 111 составляет около 2,0 кВтч / л, а плотность энергии тройной батареи типа 622 - до 2,3 кВтч / л. В зависимости от модели и рыночного спроса аккумулятор NMC имеет хорошие перспективы для применения в 3C или на транспорте.

NCA относится к тройному материалу LiNi1-x-yCoxAlyO2, и соотношение обычно составляет 8: 1,5: 0,5. Это произошло из-за открытия оксида лития-никеля (LiNiO2). Эта батарея имеет большую емкость и, соответственно, более низкую стабильность, поэтому для стабилизации конструкции добавлено немного алюминия. Общая молекулярная формула - LiNi0.8Co0.15Al0.05O2. Строго говоря, NCA может быть не тройным материалом, а модифицированным двойным материалом. По сравнению с NMC, рынок NCA монополизирован Japan Chemical, Toda и Sumitomo Metal. Panasonic и SONY являются основными поставщиками аккумуляторов NCA, и на Тайване также есть несколько приложений. Аккумулятор NCA имеет высокий коэффициент плотности энергии. В настоящее время тройная батарея высокого класса - это в основном NCA. В электромобиле Tesla используется аккумулятор Panasonic 18650, материал анода которого является тройным материалом NCA.

В настоящее время NMC и NCA - это две идеи для решения проблемы стабильности LiNiO2 на рынке. Mn и Al не играют роли емкости, но играют вспомогательную роль и обладают большей стабильностью. NCA с высоким содержанием никеля имеют более высокую пропускную способность, чем NCA, но большую безопасность, чем NMC.

7) LFP против батареи NMC

С точки зрения плотности энергии батареи, низкотемпературных характеристик, безопасности, срока службы и стоимости, литий-железо-фосфатная батарея и трехкомпонентная литиевая батарея имеют свои преимущества, которые приводят к дифференциации технологического пути анодных материалов для литиевых батарей.

1. Плотность энергии: тройной литий> фосфат лития-железа.

Из-за химических характеристик литий-железо-фосфатная батарея имеет низковольтную платформу, а ее удельная энергия составляет около 140 Втч / кг. Трехкомпонентная литиевая батарея имеет высокое напряжение, а ее плотность энергии составляет 240 Втч / кг. Другими словами, при том же весе батареи удельная энергия тройного лития в 1,7 раза больше, чем у фосфата лития-железа. Нет сомнений в том, что тройные литиевые батареи имеют преимущество в плотности энергии, но плотность энергии тройных литиевых батарей варьируется в зависимости от другой формулы (никель, кобальт, марганец / алюминий в разных пропорциях).

2. Безопасность: фосфат лития-железа> тройной литий.

Термостойкость фосфата лития-железа является лучшей среди современных автомобильных литиевых батарей. Электротермический пик превышает 350 ℃. Когда температура батареи составляет 500-600 ℃, ее внутренние химические компоненты начинают разлагаться.

Тройная литиевая батарея имеет плохую термостойкость. Он начнет разлагаться при температуре около 300 ℃, поэтому система управления батареями предъявляет строгие требования к устройству защиты от перегрева и системе управления батареей для защиты безопасности батареи. Таким образом, фосфат лития-железа относительно безопасен при высоких температурах.

3. Низкотемпературные характеристики: тройной литий> фосфат лития-железа.

Нижний предел температуры литий-железо-фосфатной батареи составляет -20 ℃, а характеристики разряда плохие при низких температурах. Степень сохранения емкости составляет около 60 ~ 70% при 0 ℃, 40 ~ 55% при -10 ℃ и 20 ~ 40% при -20 ℃.

Нижний предел температуры тройной литиевой батареи составляет -30 ℃, и ее характеристики разряда при низкой температуре являются хорошими. При тех же низких температурах, что и у литий-железо-фосфатной батареи, ее срок службы зимой уменьшается менее чем на 15%, что значительно выше, чем у литий-железо-фосфатной батареи.

4. Циклический срок службы: фосфат лития-железа> трехкомпонентный литий

Срок службы батареи - это уменьшение емкости батареи после многократной полной зарядки и разрядки. Как правило, когда аккумулятор электромобиля полностью заряжен, распад достигает 80% от первоначальной мощности, что означает, что аккумулятор следует заменить.

Полный цикл зарядки и разрядки литий-железо-фосфатной батареи должен быть более 3500 раз, прежде чем емкость упадет до 80% от первоначальной. То есть, если заряжать и разряжать один раз в день, литиево-железо-фосфатным батареям все равно требуется почти 10 лет, чтобы проявился явный феномен распада.

А тройная литиевая батарея имеет более короткий срок службы, чем литий-железо-фосфатная батарея. Более чем 2000 раз полный цикл зарядки и разрядки приведет к тому, что батарея начнет проявляться феноменом затухания, то есть примерно через 6 лет. Управление аккумулятором и электронная система управления автомобилем могут немного продлить срок службы аккумулятора, но это может быть только немного отложено.

5. Стоимость: тройной литий> фосфат лития-железа.

Литий-железо-фосфатный аккумулятор имеет преимущество в стоимости. В нем нет драгоценных металлов (никель и кобальт), поэтому его производство относительно дешево.

В тройных литиевых батареях используются различные материалы, такие как никель, кобальт и марганец, а для производства батарей с высоким содержанием никеля требуются жесткие технологические условия, поэтому текущая стоимость относительно высока.

После нескольких лет разработки в качестве ключевого материала литий, кобальт и другие металлы стали испытывать нехватку ресурсов, особенно кобальта. Его цена постоянно растет, а котировка превышает 200 000 юаней за тонну. Цена тонны электролитического никеля сейчас составляет чуть более 110 000 юаней. Поэтому производители аккумуляторов будут стремиться использовать NCM 811 для улучшения содержания никеля и уменьшения содержания кобальта, что также снизит стоимость.

8) Сравнение характеристик анодных материалов основной литий-ионной батареи

Материал анода является одним из ключевых материалов, определяющих производительность литий-ионных аккумуляторов, а также основным источником литий-ионных аккумуляторов в современных коммерческих литий-ионных аккумуляторах. Его производительность и цена имеют большое значение для литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время разработанные и применяемые анодные материалы в основном включают оксид лития-кобальта (LCO), оксид лития-марганца (LMO), тройные материалы, такие как оксид лития-никель-кобальт-марганец (NMC), алюминат лития-никель-кобальта (NCA), фосфат лития-железа ( LFP) и титанат лития (LTO).

Сравнение характеристик нескольких коммерческих анодных материалов

На приведенной ниже диаграмме сравниваются удельные энергии систем свинца, никеля и лития. Хотя литий-алюминиевый (NCA) является победителем в плане хранения большей емкости, чем другие системы, он подходит для использования энергии только в определенных сценариях. Манганат лития (LMO) и фосфат лития (LFP) превосходят по удельной мощности и термической стабильности. Титанат лития (LTO) может иметь меньшую емкость, но у него самый долгий срок службы, чем у других батарей, и лучшие характеристики при низких температурах.

Типичная удельная энергия свинцовых, никелевых и литиевых батарей

NCA имеет самую высокую удельную энергию; Однако манганат лития и фосфат лития-железа превосходят по мощности и термической стабильности. Титанат лития имеет лучший срок службы.