Litija jonu veidi

Avots: https://batteryuniversity.com

Litija jonu sauc par aktīvajiem materiāliem; vārdi ir rakstīti pilnībā vai saīsināti ar to ķīmiskajiem simboliem. Virkne burtu un ciparu, kas savilkti kopā, var būt grūti atcerēties, un vēl grūtāk ir izrunāt, un akumulatoru ķīmijas tiek identificētas arī saīsinātos burtos.

Piemēram, litija kobalta oksīdam, kas ir viens no visbiežāk lietotajiem Li joniem, ir ķīmiskie simboli LiCoO ₂ un saīsinājums LCO. Vienkāršības labad šim akumulatoram var izmantot arī īso formu Li-kobalta. Kobalta ir galvenais aktīvais materiāls, kas nodrošina šo akumulatora raksturu. Citiem litija jonu ķīmiķiem tiek doti līdzīgi īstermiņa nosaukumi. Šajā sadaļā ir uzskaitīti seši no visbiežāk lietotajiem Li-joniem. Visi rādījumi ir vidējie aprēķini rakstīšanas laikā.

Litija kobalta oksīds (LiCoO ₂ )

Tā augstā specifiskā enerģija padara Li-kobaltu par populāru mobilo tālruņu, klēpjdatoru un digitālo kameru izvēli. Akumulators sastāv no kobalta oksīda katoda un grafīta oglekļa anoda. Katodam ir slāņveida struktūra un izlādes laikā litija joni pārvietojas no anoda uz katodu. Plūsma mainās. Li-kobalta trūkums ir salīdzinoši īss kalpošanas laiks, zema termiskā stabilitāte un ierobežotas slodzes iespējas (specifiskā jauda). 1. attēls ilustrē struktūru.

Li-kobalta trūkums ir salīdzinoši īss kalpošanas laiks, zema termiskā stabilitāte un ierobežotas slodzes iespējas (specifiskā jauda). Tāpat kā citiem kobalta maisījumiem, Li-kobaltam ir grafīta anods, kas ierobežo cikla kalpošanas laiku ar mainīgu cieto elektrolītu saskarni (SEI) , anodu un litija pārklājumu sabiezēšanu, vienlaikus ātri uzlādējot un uzlādējot zemā temperatūrā. Jaunākās sistēmas ietver niķeli, mangānu un / vai alumīniju, lai uzlabotu ilgmūžību, iekraušanas iespējas un izmaksas.

Li-kobaltu nedrīkst uzlādēt un izlādēt ar strāvu, kas ir augstāka par C-reitingu. Tas nozīmē, ka 18650 šūnu ar 2400 mAh var uzlādēt un izlādēt tikai pie 2400mA. Ātra uzlādēšana vai slodzes, kas lielākas par 2400 mA, piespiešana izraisa pārkaršanu un nepamatotu stresu. Optimālai ātrai uzlādēšanai ražotājs iesaka C ātrumu 0,8C vai aptuveni 2000 mA. (Se e -402: Kas ir C likme ). Obligātā bateriju aizsardzības shēma ierobežo uzlādes un izlādes ātrumu līdz drošam līmenim apmēram 1 ° C enerģijas elementam.

Sešstūrveida zirnekļa grafiks (2. attēls) apkopo Li-kobalta veiktspēju īpašās enerģijas vai jaudas ziņā, kas attiecas uz izpildlaiku; īpaša jauda vai spēja nodrošināt augstu strāvu; drošība; veiktspēja karstā un aukstā temperatūrā; dzīves cikls, kas atspoguļo cikla dzīvi un ilgmūžību; un izmaksas . Citas intereses pazīmes, kas nav parādītas zirnekļa tīklos, ir toksiskums, ātrās uzlādes iespējas, pašizlāde un glabāšanas laiks. (Sk. BU-104c: Octagon Battery - kas padara akumulatoru bateriju ).

Li-kobalta zaudē labvēlību Li-mangānam, bet īpaši NMC un NCA, jo kobalta augstās izmaksas un uzlabota veiktspēja, sajaucot ar citiem aktīvajiem katoda materiāliem. (Skatīt tālāk aprakstīto NMC un NCA aprakstu.)

Kopsavilkuma tabula

3. tabula. Litija kobalta oksīda raksturojums.

Litija mangāna oksīds (LiMn ₂ O ₄ )

Li-jonu ar mangāna spineli pirmo reizi publicēja Materiālu izpētes biļetenā 1983. gadā. 1996. gadā Moli Energy komercializēja litija jonu šūnu ar litija mangāna oksīdu kā katoda materiālu. Arhitektūra veido trīsdimensiju spinelu struktūru, kas uzlabo jonu plūsmu uz elektrodu, kā rezultātā samazinās iekšējā pretestība un uzlabojas strāva. Vēl viena spinela priekšrocība ir augsta termiskā stabilitāte un paaugstināta drošība, bet cikla un kalendāra dzīves ilgums ir ierobežots.

Zema iekšējā šūnu pretestība nodrošina ātru uzlādi un lielu strāvas izlādi. 18650 iepakojumā Li-mangānu var izvadīt 20–30A straumēs ar mērenu siltuma uzkrāšanos. Ir iespējams izmantot arī vienas sekundes slodzes impulsus līdz 50A. Nepārtraukta augsta slodze pie šīs strāvas var izraisīt siltuma uzkrāšanos un šūnu temperatūra nedrīkst pārsniegt 80 ° C (176 ° F). Li-mangānu izmanto elektroinstrumentiem, medicīnas instrumentiem, kā arī hibrīdiem un elektriskiem transportlīdzekļiem.

4. attēls ilustrē trīsdimensiju kristālisko pamatu veidošanos uz Li-mangāna baterijas katoda. Šī spinelstruktūra, kas parasti sastāv no dimanta formām, kas savienotas režģī, parādās pēc sākotnējās veidošanās.

Li-mangāna jauda ir aptuveni viena trešdaļa zemāka par Li-kobaltu. Dizaina elastīgums ļauj inženieriem maksimāli palielināt akumulatoru optimālai ilgmūžībai (mūža ilgumam), maksimālajai slodzes strāvai (specifiskai jaudai) vai lielai jaudai (specifiskai enerģijai). Piemēram, 18650. gada kameras ilgstošai versijai ir vidēja jauda tikai 1100 mAh; lieljaudas versija ir 1500 mAh.

5. attēlā parādīts tipiska Li-mangāna akumulatora zirnekļa tīkls. Raksturlielumi ir niecīgi, bet jaunāki modeļi ir uzlabojušies attiecībā uz konkrētu jaudu, drošību un dzīves ilgumu. Tīrās Li-mangāna baterijas vairs nav izplatītas šodien; tos var izmantot tikai īpašiem lietojumiem.

Lielākā daļa Li-mangāna bateriju sajaucas ar litija niķeļa mangāna kobalta oksīdu (NMC), lai uzlabotu specifisko enerģiju un pagarinātu tā kalpošanas laiku. Šī kombinācija izceļ vislabāko katrā sistēmā, un LMO (NMC) ir izvēlēts lielākajā daļā elektrisko transportlīdzekļu, piemēram, Nissan Leaf, Chevy Volt un BMW i3. Akumulatora LMO daļa, kas var būt aptuveni 30 procenti, nodrošina ātru paātrinājumu; NMC daļa nodrošina garu braukšanas diapazonu.

Li-jonu pētījumi smagi ietekmē Li-mangāna apvienošanu ar kobaltu, niķeli, mangānu un / vai alumīniju kā aktīvo katoda materiālu. Dažās arhitektūrās anodam pievieno nelielu daudzumu silīcija. Tas nodrošina 25% jaudas palielinājumu; tomēr pieaugums parasti ir saistīts ar īsāku dzīves ciklu, jo silīcijs aug un saraujas ar lādiņu un izlādi, izraisot mehānisku stresu.

Šos trīs aktīvos metālus, kā arī silīcija uzlabošanu var ērti izvēlēties, lai uzlabotu īpatnējo enerģiju (jaudu), specifisko jaudu (slodzes spēju) vai ilgmūžību. Patērētāju baterijas dod lielu jaudu, tāpēc rūpnieciskiem lietojumiem ir nepieciešamas bateriju sistēmas, kurām ir labas iekraušanas iespējas, kas nodrošina ilgu kalpošanas laiku un nodrošina drošu un uzticamu pakalpojumu.

Kopsavilkuma tabula

6. tabula. Litija mangāna oksīda raksturojums.

Litija niķeļa mangāna kobalta oksīds (LiNiMnCoO ₂ vai NMC)

Viena no veiksmīgākajām litija jonu sistēmām ir niķeļa-mangāna kobalta (NMC) katoda kombinācija. Līdzīgi kā Li-mangānam, šīs sistēmas var pielāgot servisam kā enerģijas šūnām vai elektrostacijām . Piemēram, NMC 18650 šūnā mērenai slodzei ir aptuveni 2800 mAh jauda, un tas var piegādāt 4A līdz 5A; NMC tajā pašā kamerā, kas ir optimizēta specifiskai jaudai, ir tikai aptuveni 2000 mAh jauda, bet nodrošina nepārtrauktu 20A izlādes strāvu. Anods, kas balstīts uz silīcija dioksīdu, dosies uz 4000 mAh un lielāku, bet ar samazinātu slodzes spēju un īsāku cikla kalpošanas laiku. Grafītam pievienotajam silīcijai ir trūkums, ka anods aug un saraujas ar lādiņu un izlādi, padarot šūnu mehāniski nestabilu.

NMC noslēpums ir niķeļa un mangāna apvienošana. To analoģija ir galda sāls, kurā galvenās sastāvdaļas, nātrijs un hlorīds, ir toksiskas pašas, bet to sajaukšana kalpo kā sāls un pārtikas konservants. Niķelis ir pazīstams ar savu augsto specifisko enerģiju, bet sliktu stabilitāti; mangānam ir priekšrocība, ka tā veido spinela struktūru, lai panāktu zemu iekšējo pretestību, bet piedāvā zemu specifisku enerģiju. Metālu apvienošana uzlabo viens otru.

NMC ir elektroiekārtu, e-velosipēdu un citu elektrisko piedziņu izvēle. Katoda kombinācija parasti ir viena trešdaļa niķeļa, vienas trešdaļas mangāna un trešdaļas kobalta, kas pazīstama arī kā 1-1-1. Tas piedāvā unikālu maisījumu, kas arī samazina izejmateriālu izmaksas samazināta kobalta satura dēļ. Vēl viena veiksmīga kombinācija ir NCM ar 5 daļām niķeli, 3 daļām kobalta un 2 daļas mangāna (5-3-2). Ir iespējamas arī citas kombinācijas, kurās izmanto dažādus katoda materiālus.

Akumulatoru ražotāji pāriet no kobalta sistēmām pret niķeļa katodiem augsto kobalta cenu dēļ. Niķeļa sistēmām ir augstāks enerģijas blīvums, zemākas izmaksas un ilgāks cikla kalpošanas laiks nekā uz kobalta bāzes esošajām šūnām, bet tām ir nedaudz zemāks spriegums.

Jauni elektrolīti un piedevas ļauj uzlādēt līdz 4.4V / šūnai un lielāku jaudu. 7. attēlā redzamas NMC īpašības.

Virzība uz NMC sajaukto Li-ion, jo sistēma var tikt uzbūvēta ekonomiski un tā nodrošina labu veiktspēju. Trīs aktīvos materiālus no niķeļa, mangāna un kobalta var viegli sajaukt, lai tie atbilstu plašam pielietojuma spektram automobiļu un enerģijas uzkrāšanas sistēmās (ENS), kurām nepieciešama bieža riteņbraukšana. NMC ģimene aug dažādībā.

Kopsavilkuma tabula

8. tabula. Litija niķeļa mangāna kobalta oksīda (NMC) raksturojums.

Litija dzelzs fosfāts (LiFePO ₄ )

Teksasas Universitāte (un citi ziedotāji) 1996. gadā atklāja fosfātu kā katoda materiālu atkārtoti uzlādējamiem litija akumulatoriem. Li-fosfāts nodrošina labu elektroķīmisko veiktspēju ar zemu pretestību. Tas ir iespējams ar fosfātu katoda materiāla nano-mērogā. Galvenie ieguvumi ir augsts strāvas reitings un ilgs cikla kalpošanas laiks, bez labas termiskās stabilitātes, paaugstinātas drošības un tolerances, ja to izmanto ļaunprātīgi.

Li-fosfāts ir izturīgāks pret pilniem uzlādes apstākļiem un ir mazāk uzsvērts nekā citas litija jonu sistēmas, ja tās ilgstoši tiek turētas augstā spriegumā. (Sk. BU-808: Kā pagarināt litija baterijas ). Kā kompromiss, tā zemākais nominālais spriegums 3,2 V / šūnā samazina īpatnējo enerģiju, kas ir mazāka par kobalta maisījuma litija joniem. Vairumam bateriju aukstā temperatūra samazina veiktspēju un paaugstināta uzglabāšanas temperatūra saīsina kalpošanas laiku, un Li-fosfāts nav izņēmums. Li-fosfātam ir augstāka pašizlāde nekā citiem Li-ion akumulatoriem, kas var izraisīt līdzsvaru ar novecošanu. To var mazināt, pērkot augstas kvalitātes šūnas un / vai izmantojot izsmalcinātu vadības elektroniku, kas palielina iepakojuma izmaksas. Ražošanas tīrība ir svarīga ilgmūžībai. Nav mitruma pielaides, lai akumulators nesniegtu tikai 50 ciklus. 9. attēlā apkopoti Li-fosfāta atribūti.

Li-fosfātu bieži izmanto, lai aizstātu svina skābes startera akumulatoru. Četras sērijas šūnas ražo 12,80 V, līdzīgu spriegumu sešām 2V svina šūnām šūnās. Transportlīdzekļi uzlādē svina skābi līdz 14.40V (2.40 V / šūnai) un uztur uzpildes uzpildi. Uzlādēšanas maksa tiek izmantota, lai saglabātu pilnu uzlādes līmeni un novērstu sulfāta veidošanos uz skābes akumulatoriem.

Ar četrām sērijveida Li-fosfāta šūnām katrs šūnu tops ir 3.60 V, kas ir pareizais pilnās uzlādes spriegums. Šajā brīdī lādiņam jābūt atvienotam, bet papildināšanas maksa turpinās braukšanas laikā. Li-fosfāts ir iecietīgs pret pārmērīgu cenu; tomēr sprieguma saglabāšana ilgstoši 14.40V, jo vairums transportlīdzekļu brauc uz ilgu ceļu, varētu uzsvērt Li-fosfātu. Laiks parādīs, cik izturīgs Li-fosfāts būs kā svina skābes aizstāšana ar regulāru transportlīdzekļa uzlādes sistēmu. Aukstā temperatūra arī samazina Li-ion veiktspēju, un tas var ietekmēt griešanās spēju ārkārtējos gadījumos.

Kopsavilkuma tabula

10. tabula. Litija dzelzs fosfāta raksturojums.

Litija niķeļa kobalta alumīnija oksīds (LiNiCoAlO ₂ )

Litija niķeļa kobalta alumīnija oksīda akumulators vai NCA kopš 1999. gada ir pieejams īpašiem lietojumiem. Tā ir līdzīga ar NMC, piedāvājot augstu specifisko enerģiju, samērā labu specifisko jaudu un ilgu kalpošanas laiku. Mazāk glaimojošs ir drošība un izmaksas. 11. attēlā apkopoti seši galvenie raksturlielumi. NCA ir turpmāka litija niķeļa oksīda attīstība; alumīnija pievienošana dod ķīmijai lielāku stabilitāti.

Kopsavilkuma tabula

12. tabula. Litija niķeļa kobalta alumīnija oksīda raksturojums.

Litija titanāts (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Baterijas ar litija titanāta anodiem ir pazīstamas kopš 80. gadiem. Li-titanāts aizstāj grafītu tipiskā litija jonu akumulatora anodā un materiāls veidojas spinela struktūrā. Katods var būt litija mangāna oksīds vai NMC. Li-titanātam ir nominālais šūnu spriegums - 2,40 V, tas var būt ātri uzlādēts un nodrošina augstu izlādes strāvu 10C vai 10 reizes lielāks par nominālo jaudu. Tiek uzskatīts, ka cikla skaits ir augstāks nekā parastajam Li-ionam. Li-titanāts ir drošs, tam ir izcilas zemas temperatūras izlādes īpašības, un tas sasniedz 80% jaudu –30 ° C (–22 ° F) temperatūrā.

LTO (parasti Li4Ti ₅ O ₁₂ ) ir priekšrocība salīdzinājumā ar parasto kobalta maisījumu, kas sajaukts ar Li-jonu ar grafīta anodu, sasniedzot nulles celmu īpašību, bez SEI plēves veidošanās un bez litija pārklājuma, kad notiek ātra uzlāde un uzlāde zemā temperatūrā. Termiskā stabilitāte augstā temperatūrā ir arī labāka par citām Li-ion sistēmām; tomēr akumulators ir dārgs. Tikai 65Wh / kg īpatnējā enerģija ir zema, konkurējot ar NiCd. Li-titanāta uzlāde līdz 2.80V / šūnai, un izlādes beigas ir 1,80 V / šūnas. 13. attēls ilustrē Li-titanāta akumulatora īpašības. Tipiski lietojumi ir elektriskie dzinēji, UPS un saules enerģijas apgaismojums.
 

Kopsavilkuma tabula

14. tabula. Litija titanāta raksturojums.

15. attēls salīdzina svina, niķeļa un litija bāzes sistēmu specifisko enerģiju. Lai gan Li-alumīnija (NCA) ir skaidrs uzvarētājs, saglabājot lielāku jaudu nekā citas sistēmas, tas attiecas tikai uz konkrētu enerģiju. Runājot par īpatnējo jaudu un termisko stabilitāti, Li-mangāns (LMO) un Li-fosfāts (LFP) ir pārāka. Li-titanātam (LTO) var būt maza ietilpība, bet šī ķīmija izdzīvo lielāko daļu citu bateriju dzīves ilguma ziņā, un tai ir arī labākā aukstuma temperatūra. Virzoties uz elektrisko piedziņu, drošumu un cikla dzīvi, būs lielāka loma nekā jaudai. (LCO apzīmē Li-kobalta, sākotnējais Li-ion.)

15. attēls: Svina, niķeļa un litija bāzes bateriju tipiskā specifiskā enerģija.
NCA ir visaugstākā specifiskā enerģija; tomēr mangāns un fosfāts ir augstāki attiecībā uz īpatnējo jaudu un termisko stabilitāti. Li-titanātam ir vislabākais kalpošanas laiks.
^{Ar Cadex pieklājību}