Общие характеристики и параметры шести литиевых батарей

Конкретные параметры аккумуляторов одного и того же технического маршрута не совсем совпадают. Общий уровень текущих параметров показан в данной статье. Шесть литиевых батарей, в частности, включают: оксид лития-кобальта (LiCoO2), манганат лития (LiMn2O4), литий-никель-кобальт-марганцевый оксид (LiNiMnCoO2 или NMC), алюминат лития-кобальта-алюминия (LiNiCoAlO2 или NCA), литий-фосфат лития и лития-лития. (Li4Ti5O12).

Кобальтовая кислота литиевая (LiCoO2)

Его высокая удельная энергия делает оксид лития-кобальта популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых фотоаппаратов. Батарея состоит из катода из оксида кобальта и графитового угольного анода. Катод имеет слоистую структуру, в которой ионы лития перемещаются от анода к катоду во время разряда, а процесс зарядки протекает в противоположном направлении.

Катод имеет слоистую структуру. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду; во время зарядки поток течет от катода к аноду.

Чрезвычайно, его срок службы в основном ограничен границей раздела твердого электролита (SEI), в основном из-за постепенного утолщения пленки SEI и проблемой анодного покрытия в процессе быстрой зарядки или низкотемпературной зарядки. В новые системы материалов добавляют никель, марганец и / или алюминий для увеличения срока службы, грузоподъемности и снижения затрат. Кобальтат лития не следует заряжать и разряжать при токе, превышающем установленную емкость. Это означает, что аккумулятор 18650 емкостью 2400 мАч можно заряжать и разряжать только при 2400 мА или меньше. Принудительная быстрая зарядка или приложение нагрузки выше 2400 мА может вызвать перегрев и перегрузку. Для наилучшей быстрой зарядки производитель рекомендует уровень заряда 0,8C или около 2000 мА. Схема защиты аккумулятора ограничивает скорость зарядки и разрядки энергоблока до безопасного уровня около 1С. Гексагональная карта паука (рис. 2) суммирует конкретные энергетические или емкостные аспекты характеристик кобальтата лития, связанные с работой; удельная мощность или способность обеспечивать большие токи; безопасность; работоспособность в условиях высоких и низких температур; время жизни, включая календарный срок и цикл жизни; стоимостные характеристики. Другие важные особенности, не показанные на карте пауков, включают токсичность, возможность быстрой зарядки, саморазряд и срок хранения. Из-за высокой стоимости кобальта и значительных улучшений характеристик, вызванных смешиванием материалов с другими активными катодными материалами, оксид лития-кобальта постепенно заменяется манганатом лития, особенно NMC и NCA. (См. Описание на лицевой стороне NMC и NCA.)

Литий-кобальтовая кислота отличается высокой удельной энергией, но по энергетическим характеристикам, безопасности и сроку службы могут обеспечить общие характеристики.

Литий-марганцевая кислота (LiMn2O4)

Литий-манганатная шпинельная батарея впервые была опубликована в отчете об исследовании материалов за 1983 год. В 1996 году Moli Energy начала коммерциализацию литий-ионных аккумуляторов с манганатом лития в качестве катодного материала. Архитектура образует трехмерную структуру шпинели, которая улучшает поток ионов на электродах, уменьшая внутреннее сопротивление и улучшая пропускную способность по току. Еще одним преимуществом шпинели является ее высокая термическая стабильность и повышенная безопасность, но ограниченный цикл и календарный срок службы. Низкое внутреннее сопротивление батареи обеспечивает быструю зарядку и сильноточный разряд. Батарея типа 18650, литиевая манганатная батарея может разряжаться при 20-30 А и имеет умеренное накопление тепла. Также можно применить нагрузочный импульс длительностью до 50A1 секунд. Продолжительные высокие нагрузки при этом токе могут вызвать перегрев, а температура батареи не должна превышать 80 ° C (176 ° F). Манганат лития используется в электроинструментах, медицинских устройствах, а также в гибридных и чисто электрических транспортных средствах. На рисунке 4 показано формирование трехмерного кристаллического каркаса на катоде литиево-манганатной батареи. Структура шпинели обычно состоит из формы алмаза, соединенной с кристаллической решеткой, которая обычно возникает после формирования батареи.

Кристаллизация литиевого катода марганцевой кислоты в форме после трехмерной каркасной структуры. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, но удельная энергия ниже, чем у кобальтовой кислоты лития.

Литий-марганцевая кислота имеет емкость примерно на треть меньше, чем литиевая кобальтовая кислота. Гибкость конструкции позволяет инженерам выбирать максимально возможное заземление, продлевающее срок службы батареи, или повышать емкость до максимального тока нагрузки (мощности) или (более чем). Например, 18650 длительный срок службы батареи версии только умеренной емкости 1100 мАч; Версия повышенной емкости 1500 мАч. Эти параметры функций не кажутся идеальными, но новый дизайн с точки зрения мощности, безопасности и срока службы улучшился. Литий-манганатные батареи сегодня больше не распространены; они используются только в особых случаях.

Несмотря на общие характеристики, новый дизайн может улучшить мощность, безопасность и долговечность марганцево-литиевой кислоты.

Большая часть манганата лития смешивается с оксидом лития, никеля, марганца и кобальта (NMC) для увеличения удельной энергии и продления срока службы. Эта комбинация обеспечивает максимальную производительность каждой системы, и большинство электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevrolet Volt и BMW i3, используют LMO (NMC). Часть LMO батареи может достигать около 30%, что может обеспечить более высокий ток во время разгона; часть NMC обеспечивает большой запас хода. Исследования литий-ионных аккумуляторов имеют тенденцию комбинировать манганат лития 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 кремний расширяется и сжимается при заряде и разряде, вызывая механическое напряжение, которое часто тесно связано с коротким сроком службы. Эти три активных металла и кремниевое усиление можно удобно выбрать для увеличения удельной энергии (емкости), удельной мощности (нагрузочной способности) или срока службы. Бытовые батареи требуют большой емкости, в то время как для промышленных приложений требуются аккумуляторные системы, они имеют хорошую нагрузочную способность, длительный срок службы и обеспечивают безопасную и надежную работу.

Никель-кобальт-марганцево-литиевая кислота (LiNiMnCoO2 или NMC)

Одной из наиболее успешных литий-ионных систем является катодная комбинация никель-марганец-кобальт (NMC). Подобно манганату лития, эту систему можно настроить для использования в качестве энергетической батареи или силовой батареи. Например, NMC в аккумуляторе 18650 в условиях средней нагрузки имеет емкость примерно 2800 мАч и может обеспечивать ток разряда от 4 до 5 А; такой же тип NMC оптимизирован для определенной мощности с емкостью всего 2000 мАч, но доступен постоянный ток разряда 20А. Анод на основе кремния достигает 4000 мАч или более, но нагрузка снижается, а срок службы сокращается. Кремний, добавленный в графит, имеет дефект, заключающийся в том, что анод расширяется и сжимается при зарядке и разрядке, так что механическое напряжение аккумулятора в значительной степени нестабильно. Секрет NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Похожая на это соль, в которой основные компоненты натрий и хлорид сами по себе токсичны, но они смешаны в качестве приправы и пищевого консерванта. Никель известен своей высокой удельной энергией, но его стабильность оставляет желать лучшего; структура марганцевой шпинели может обеспечивать низкое внутреннее сопротивление, но низкую удельную энергию. Два активных металла имеют дополнительные преимущества.

NMC - это аккумулятор, который выбирают для электроинструментов, электровелосипедов и других систем электроснабжения. Катодная комбинация обычно состоит из одной трети никеля, одной трети марганца и одной трети кобальта, также известного как 1-1-1. Это обеспечивает уникальную смесь, которая также снижает затраты на сырье из-за пониженного содержания кобальта. Еще одна удачная комбинация - NCM, который содержит 5 частей никеля, 3 части кобальта и 2 части марганца (5-3-2). Также можно использовать другие различные количества комбинаций катодных материалов. Из-за высокой стоимости кобальта производители аккумуляторов перешли с кобальтовых катодов на никелевые. Системы на основе никеля имеют более высокую плотность энергии, более низкую стоимость и более длительный срок службы, чем батареи на основе кобальта, но их напряжения немного ниже. Новые электролиты и добавки позволяют заряжать одну батарею до напряжения более 4,4 В, увеличивая мощность.

Страница содержит содержимое машинного перевода.