Lityum İyon Çeşitleri

Kaynak: https://batteryuniversity.com

Lityum-iyon aktif maddeleri olarak adlandırılmıştır; kelimeler tam olarak yazılır veya kimyasal sembolleriyle kısaltılır. Birlikte dizilen bir dizi harf ve sayı hatırlamak zor olabilir ve hatta telaffuz etmek daha zor olabilir ve batarya kimyası da kısaltılmış harflerle tanımlanır.

Örneğin, en yaygın Li-iyonlardan biri olan lityum kobalt oksit, LiCoO ₂ kimyasal sembollerine ve LCO kısaltmasına sahiptir. Sadelik nedeniyle, kısa pil Li-kobalt bu batarya için de kullanılabilir. Kobalt, bu akü karakterini veren ana aktif maddedir. Diğer Li-iyon kimyalarına benzer kısa form adları verilmiştir. Bu bölümde en yaygın altı iyondan altı tanesi listelenmiştir. Tüm okumalar yazma sırasındaki ortalama tahminlerdir.

Lityum Kobalt Oksit (LiCoO ₂ )

Özel enerji, Li-kobalt'ı cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve dijital kameralar için popüler seçenek haline getiriyor. Akü bir kobalt oksit katodu ve bir grafit karbon anotundan oluşur. Katot katmanlı bir yapıya sahiptir ve boşalma sırasında lityum iyonları anottan katoda geçer. Akış şarj durumunda tersine döner. Li-kobaltın dezavantajı nispeten kısa bir kullanım ömrü, düşük termal stabilite ve sınırlı yük kapasiteleridir (spesifik güç). Şekil 1 yapıyı göstermektedir.

Li-kobaltın dezavantajı nispeten kısa bir kullanım ömrü, düşük termal stabilite ve sınırlı yük kapasiteleridir (spesifik güç). Diğer kobalt karışımlı Li-iyon gibi, Li-kobalt da düşük sıcaklıkta hızlı şarj olurken ve şarj olurken anot ve lityum kaplama üzerinde kalınlaşan değişen bir elektrolit arayüzü (SEI) ile döngü ömrünü sınırlayan bir grafit anot içerir. Daha yeni sistemler uzun ömürlülüğü, yükleme özelliklerini ve maliyeti geliştirmek için nikel, mangan ve / veya alüminyum içerir.

Li-kobalt, C derecesinden yüksek bir akımda şarj edilmemeli ve boşaltılmamalıdır. Bu, 2,400mAh değerine sahip bir 18650 hücrenin yalnızca 2,400mA'da şarj edilip boşaltılacağı anlamına gelir. Hızlı şarj etmek veya 2.400mA'dan daha büyük bir yük uygulamak aşırı ısınmaya ve aşırı gerginliğe neden olur. Optimum hızlı şarj için üretici, 0.8C veya yaklaşık 2.000mA C-hızı önerir. (Bkz. BU-402: C hızı nedir ). Zorunlu akü koruma devresi, Enerji Hücresi için şarj ve deşarj oranını yaklaşık 1 ° C'lik güvenli bir seviyeye sınırlandırır.

Altıgen örümcek grafiği (Şekil 2), Li-kobaltın çalışma zamanı ile ilgili spesifik enerji veya kapasite bakımından performansını özetlemektedir; belirli bir güç veya yüksek akım sağlama yeteneği; Emniyet; sıcak ve soğuk sıcaklıklarda performans ; yaşam döngüsü ve ömrünü yansıtan yaşam süresi ; ve maliyet . Örümcek ağlarında gösterilmeyen ilgi diğer özellikleri toksisite, hızlı şarj yetenekleri, kendi kendine boşalma ve raf ömrüdür. (Bkz. BU-104c: Sekizgen Pil - Pili Pili Ne Yapar ).

Li-kobalt, Li-manganez lehine, ancak özellikle de NMC ve NCA'ya, yüksek kobalt maliyeti ve diğer aktif katod malzemeleriyle karıştırılarak geliştirilmiş performanstan dolayı iyilik kaybediyor. (Aşağıdaki NMC ve NCA'nın tarifine bakınız.)

Özet Tablosu

Tablo 3: Lityum kobalt oksidin özellikleri.

Lityum Manganez Oksit (LiMn ₂ O ₄ )

Manganez spinelli Li-iyon ilk olarak 1983 yılında Malzeme Araştırma Bülteni'nde yayınlandı. 1996'da, Moli Energy, katot malzemesi olarak lityum manganez oksit içeren bir Li-iyon hücresini ticarileştirdi. Mimari, elektrot üzerindeki iyon akışını artıran, daha düşük iç direnç ve gelişmiş akım kullanımıyla sonuçlanan üç boyutlu bir spinel yapı oluşturur. Spinelin başka bir avantajı yüksek termal stabilite ve gelişmiş güvenliktir, ancak döngü ve takvim ömrü sınırlıdır.

Düşük iç hücre direnci, hızlı şarj ve yüksek akım boşaltma sağlar. Bir 18650 paketinde, Li-manganez, 20-30A'lık akımlarda, orta dereceli ısı birikimi ile boşaltılabilir. Ayrıca 50A'ya kadar olan bir saniyelik yük darbeleri uygulamak da mümkündür. Bu akımda sürekli bir yüksek yük, ısı birikmesine neden olur ve hücre sıcaklığı 80 ° C'yi (176 ° F) aşamaz. Li-manganez, elektrikli el aletleri, tıbbi aletler ve hibrit ve elektrikli araçlar için kullanılır.

Şekil 4, bir Li-manganez pilin katodu üzerinde üç boyutlu bir kristalin çerçevenin oluşumunu göstermektedir. Genellikle bir kafes içine bağlanmış elmas şekillerden oluşan bu spinel yapısı, ilk oluşumdan sonra ortaya çıkar.

Li-manganez, kabaca Li-kobalttan üçte bir oranında daha düşük bir kapasiteye sahiptir. Tasarım esnekliği, mühendislerin pili en uygun uzun ömür (ömrü), maksimum yük akımı (belirli güç) veya yüksek kapasite (belirli enerji) için en üst düzeye çıkarmasını sağlar. Örneğin, 18650 hücresindeki uzun ömürlü versiyon, yalnızca 1.100mAh; yüksek kapasiteli versiyon 1.500mAh'dir.

Şekil 5, tipik bir Li-manganez pilin örümcek ağını göstermektedir. Özellikler marjinal görünüyor, ancak yeni tasarımlar belirli güç, güvenlik ve yaşam süresi açısından gelişti. Saf Li-manganez piller günümüzde yaygın değildir; sadece özel uygulamalar için kullanılabilirler.

Çoğu Li-manganez pil, spesifik enerjiyi geliştirmek ve ömrünü uzatmak için lityum nikel manganez kobalt oksitle (NMC) harmanlanır. Bu kombinasyon her bir sistemde en iyisini ortaya koyar ve LMO (NMC) Nissan Leaf, Chevy Volt ve BMW i3 gibi çoğu elektrikli araç için seçilir. Pilin yaklaşık yüzde 30 olabilen LMO kısmı, hızlanmada yüksek akım artışı sağlar; NMC kısmı uzun sürüş mesafesini verir.

Li-iyon araştırması, Li-manganezin kobalt, nikel, manganez ve / veya alüminyum ile aktif katod materyali olarak birleştirilmesine yoğun bir şekilde ağırlık vermektedir. Bazı mimaride, anoda küçük bir miktar silikon eklenir. Bu yüzde 25 kapasite artışı sağlar; bununla birlikte, kazanım ve deşarj ile silikon büyür ve küçülür ve mekanik gerilmeye neden olurken, kazanım genel olarak daha kısa bir çevrim ömrü ile bağlantılıdır.

Bu üç aktif metal, aynı zamanda silikon arttırmanın yanı sıra spesifik enerjiyi (kapasiteyi), spesifik gücü (yük kapasitesini) veya uzun ömürlülüğü arttırmak için uygun şekilde seçilebilir. Tüketici bataryaları yüksek kapasite isterken, endüstriyel uygulamalar iyi yükleme kabiliyetine sahip, uzun ömürlü ve güvenli ve güvenilir hizmet sunan batarya sistemleri gerektirir.

Özet Tablosu

Tablo 6: Lityum Manganez Oksitin Özellikleri.

Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (LiNiMnCoO ₂ veya NMC)

En başarılı Li-iyon sistemlerinden biri, nikel-manganez-kobaltın (NMC) bir katod birleşimidir. Li-manganez'e benzer şekilde, bu sistemler Enerji Hücreleri veya Güç Hücreleri olarak kullanılmak üzere uyarlanabilir . Örneğin, orta yük durumu için bir 18650 hücresindeki NMC, yaklaşık 2,800mAh kapasiteye sahiptir ve 4A ila 5A sağlayabilir; Spesifik güç için optimize edilmiş aynı hücrede bulunan NMC, yalnızca yaklaşık 2.000mAh kapasiteye sahiptir, ancak 20A'lık sürekli bir deşarj akımı sağlar. Silisyum bazlı bir anot 4.000mAh ve üstüne çıkacak ancak daha düşük yük kapasitesi ve daha kısa çevrim ömrü. Grafite eklenen silikon, anotun şarj ve deşarjla büyüyüp küçüldüğü, hücreyi mekanik olarak kararsız hale getirdiği dezavantajına sahiptir.

NMC'nin sırrı nikel ve manganez birleşimidir. Bunun bir benzetmesi, ana bileşenlerin, sodyum ve klorürün kendi başlarına toksik olduğu, fakat bunların karıştırılmasının baharat tuzu ve yiyecek koruyucu olarak işlev gördüğü sofra tuzudur. Nikel, yüksek özgül enerjisiyle bilinir, ancak stabilitesi kötüdür; manganez, düşük iç direnç elde etmek için bir spinel yapısı oluşturma avantajına sahiptir, ancak düşük spesifik bir enerji sunar. Metalleri birleştirmek birbirini kuvvetlendirir.

NMC elektrikli el aletleri, e-bisikletler ve diğer elektrikli motorlar için tercih edilen bataryadır. Katot kombinasyonu tipik olarak 1-1 / 1 olarak da bilinen üçte biri nikel, üçte biri manganez ve üçte biri kadar kobalttır. Bu, kobalt içeriği azaldığından dolayı hammadde maliyetini de düşüren eşsiz bir karışım sunar. Başarılı bir başka kombinasyon, 5 parça nikel, 3 parça kobalt ve 2 parça manganez (5-3-2) içeren NCM'dir. Çeşitli miktarlarda katot malzemeleri kullanan başka kombinasyonlar da mümkündür.

Akü üreticileri, yüksek kobalt maliyeti nedeniyle kobalt sistemlerinden nikel katodlarına doğru hareket eder. Nikel bazlı sistemler kobalt bazlı hücrelere göre daha yüksek enerji yoğunluğuna, düşük maliyete ve daha uzun çevrim ömrüne sahiptir, ancak biraz daha düşük bir gerilime sahiptir.

Yeni elektrolitler ve katkı maddeleri, kapasiteyi arttırmak için 4.4V / hücreye ve daha yüksek şarjı sağlar. Şekil 7, NMC'nin özelliklerini göstermektedir.

Sistem ekonomik olarak inşa edilebildiğinden ve iyi bir performansa ulaştığından, NMC karışımlı Li-iyon yönünde bir hareket vardır. Üç aktif nikel, manganez ve kobalt malzemesi, sık sık çevrimi gerektiren otomotiv ve enerji depolama sistemleri (EES) için geniş bir uygulama yelpazesine uyacak şekilde kolayca harmanlanabilir. NMC ailesi çeşitliliğinde büyüyor.

Özet Tablosu

Tablo 8: Lityum nikel manganez kobalt oksitin (NMC) özellikleri.

Lityum Demir Fosfat (LiFePO ₄ )

1996 yılında, Texas Üniversitesi (ve diğer katılımcılar), şarj edilebilir lityum piller için katod materyali olarak fosfat buldular. Li-fosfat düşük dirençli iyi elektrokimyasal performans sunar. Bu, nano ölçekli fosfat katod materyali ile mümkün olmaktadır. En önemli faydalar, yüksek ısıl değerlendirme ve uzun kullanım ömrü, iyi ısıl kararlılık, istismar durumunda daha yüksek güvenlik ve toleranstır.

Li-fosfat, tam şarj koşullarına daha toleranslıdır ve uzun süre yüksek voltajda tutulursa diğer lityum iyon sistemlerinden daha az streslidir. (Bkz. BU-808: Lityum Bazındaki Pillerin Uzatılması ). Bir işlem olarak, düşük 3.2V / hücre nominal gerilimi, kobalt karışımlı lityum iyonunun altındaki spesifik enerjiyi azaltır. Çoğu pilde soğuk sıcaklık performansı düşürür ve yüksek saklama sıcaklığı servis ömrünü kısaltır ve Li-fosfat istisna değildir. Li-fosfat, diğer Li-iyon akülerden daha fazla kendiliğinden deşarj olup yaşlanma ile dengeleme sorunlarına neden olabilir. Bu, yüksek kaliteli hücreler satın alınarak ve / veya her ikisi de paketin maliyetini artıran gelişmiş kontrol elektroniği kullanılarak hafifletilebilir. Üretimde temizlik uzun ömür için önemlidir. Neme karşı tolerans yoktur, aksi takdirde akünün sadece 50 devir vermesi gerekir. Şekil 9, Li-fosfatın özelliklerini özetlemektedir.

Li-fosfat genellikle kurşun asit başlangıç bataryasının yerine kullanılır. Serideki dört hücre, serideki altı 2V kurşun asit hücresine benzer bir voltaj olan 12.80V üretir. Araçlar, kurşun asidi 14.40V'a (2.40V / hücre) yükler ve bir üst dolum ücretini korur. Doldurma şarjı, tam şarj seviyesini korumak ve kurşun asit pillerde sülfatlanmayı önlemek için uygulanır .

Seri olarak dört Li-fosfat hücresiyle, her bir hücre 3.60V'da üste gelir, ki bu tam doğru şarj voltajıdır. Bu noktada, şarjın bağlantısı kesilmelidir, ancak sürüş esnasında yüksek ücret devam eder. Li-fosfat, aşırı yüklenmeye karşı toleranslıdır; bununla birlikte, çoğu araç uzun bir yolculukta olduğu gibi voltajı uzun süre 14.40V'de tutmak Li-fosfat'ı zorlayabilir. Zaman, Li-Fosfatın normal bir araç şarj sistemi ile kurşun asit değişimi olarak ne kadar dayanıklı olacağını söyleyecektir. Soğuk sıcaklık, Li-iyonunun performansını da düşürür ve bu, aşırı durumlarda krank yeteneğini etkileyebilir.

Özet Tablosu

Tablo 10: Lityum demir fosfatın özellikleri.

Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit (LiNiCoAlO ₂ )

Özel uygulamalar için Lityum nikel kobalt alüminyum oksit pil veya NCA, 1999'dan bu yana kullanılmaktadır. Yüksek özgül enerji, makul derecede iyi güç ve uzun ömür sağlayarak NMC ile benzerliklerini paylaşır. Daha az gurur, güvenlik ve maliyettir. Şekil 11 altı temel özelliği özetlemektedir. NCA, lityum nikel oksidin başka bir gelişimidir; alüminyum eklenmesi kimyaya daha fazla stabilite kazandırır.

Özet Tablosu

Tablo 12: Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksitin Özellikleri.

Lityum Titanat (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

1980'lerden beri lityum titanat anotlu piller bilinmektedir. Li-titanat, tipik bir lityum-iyon pilin anotundaki grafitin yerini alır ve materyal bir spinel yapı haline gelir. Katot, lityum manganez oksit veya NMC olabilir. Li-titanat, 2.40V'lik nominal bir hücre voltajına sahiptir, hızlı bir şekilde şarj edilebilir ve 10C'lik yüksek deşarj akımı veya nominal kapasitenin 10 katı sunar. Çevrim sayısının normal bir Li-iyondan daha yüksek olduğu söylenir. Li-titanat güvenlidir, düşük sıcaklıkta mükemmel tahliye özelliklerine sahiptir ve –30 ° C (–22 ° F) sıcaklıklarda yüzde 80 kapasiteye sahiptir.

LTO (genel olarak Li4Ti5O12), alışılmadık kobalt karışımlı Li-iyona, grafin anotlu sıfır-zorlanma özelliğine, SEI film oluşumu ve düşük sıcaklıkta hızlı şarj ve şarj olurken lityum kaplamaya ulaşmadan avantajlar sağlar. Yüksek sıcaklıkta ısıl kararlılık diğer Li-ion sistemlerden daha iyidir; Ancak, batarya pahalıdır. Sadece 65Wh / kg'da, spesifik enerji, NiCd'ye rakip olan düşüktür. Li-titanat, 2.80V / hücreye yüklenir ve deşarjın sonu 1.80V / hücredir. Şekil 13, Li-titanat bataryanın özelliklerini göstermektedir. Tipik kullanım alanları elektrikli güç aktarıcılar, UPS ve güneş enerjili sokak aydınlatmasıdır.
 

Özet Tablosu

Tablo 14: Lityum titanatın özellikleri.

Şekil 15, kurşun, nikel ve lityum bazlı sistemlerin spesifik enerjisini karşılaştırmaktadır. Li-aluminium (NCA), diğer sistemlerden daha fazla kapasite depolayarak açık bir kazanan olsa da, bu yalnızca belirli enerji için geçerlidir. Spesifik güç ve termal stabilite açısından, Li-manganez (LMO) ve Li-fosfat (LFP) üstündür. Li-titanat (LTO) düşük kapasiteye sahip olabilir, ancak bu kimya diğer bataryaların ömrünü uzatır ve aynı zamanda en iyi soğuk sıcaklık performansına sahiptir. Elektrik güç aktarımına doğru hareket etmek, emniyet ve çevrim ömrü, kapasite üzerinde baskınlık kazanacaktır. (LCO, orijinal Li-ion olan Li-kobalt anlamına gelir.)

Şekil 15: Kurşun, nikel ve lityum bazlı pillerin tipik spesifik enerjisi.
NCA en yüksek spesifik enerjiye sahiptir; Bununla birlikte, manganez ve fosfat, özgül güç ve ısıl kararlılık bakımından üstündür. Li-titanat en iyi ömre sahiptir.
^{Cadex'in İzniyle}