Έξι κοινοί τύποι μπαταριών λιθίου και οι κύριες παράμετροι απόδοσής τους

Συχνά μιλάμε για τριαδικές μπαταρίες λιθίου ή μπαταρίες λιθίου σιδήρου, οι οποίες ονομάζονται για μπαταρίες λιθίου μετά από ενεργά υλικά καθοδίου.Το παρόν έγγραφο συνοψίζει τους έξι κοινούς τύπους μπαταριών λιθίου και τις κύριες παραμέτρους απόδοσης τουςΌπως όλοι γνωρίζουμε, η ίδια τεχνική διαδρομή του κυττάρου, οι ειδικές παραμέτρους δεν είναι ακριβώς οι ίδιες, αυτό το έγγραφο δείχνει το γενικό επίπεδο των σημερινών παραμέτρων.Οι έξι μπαταρίες λιθίου περιλαμβάνουν: οξείδιο κοβάλτου λιθίου (LiCoO2), μαγγάνιο λιθίου μαγγανίου (LiMn2O4), μαγγάνιο νικελίου-κοβάλτου λιθίου (LiNiMnCoO2 ή NMC), αλουμινικό νικελίου-κοβάλτου λιθίου (LiNiCoAlO2 ή NCA),Φωσφορικό σίδηρο λιθίου (LiFePO4) και τιτανικό λιθίου (Li4Ti5O12).

Το οξείδιο του κοβαλτίου του λιθίου (LiCoO2) Η υψηλή ειδική ενέργεια του καθιστά το οξείδιο του κοβαλτίου του λιθίου μια δημοφιλής επιλογή για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές.Η μπαταρία αποτελείται από έναν κάθοδο οξειδίου του κοβαλτίου και έναν άνοδο γραφίτη-άνθρακαΗ κάθοδος έχει στρωμένη δομή, κατά τη διάρκεια της οποίας τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο και η διαδικασία φόρτισης ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση.Κατά την εκφόρτωσηΤα μειονεκτήματα του οξειδίου του κοβαλτίου του λιθίου είναι η σχετικά σύντομη διάρκεια ζωής του.χαμηλή θερμική σταθερότητα και περιορισμένη χωρητικότητα φορτίου (ειδική ισχύς)Όπως και οι άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου υβριδίου κοβαλτίου, το οξείδιο του λιθίου κοβαλτίου χρησιμοποιεί άνοδο γραφίτη, και η διάρκεια κύκλου ζωής του περιορίζεται κυρίως από την διεπαφή στερεών ηλεκτρολυτών (SEI),αντανακλάται κυρίως στη σταδιακή πάχυνση του φιλμ SEIΤα νεότερα συστήματα υλικών προσθέτουν νικέλιο, μαγγάνιο και/ή αλουμίνιο για να βελτιώσουν τη διάρκεια ζωής.ικανότητα φόρτωσης και μείωση του κόστουςΤο οξείδιο του λιθίου και του κοβαλτίου δεν πρέπει να φορτίζεται και να εκφορτώνεται σε ρεύμα υψηλότερο από τη χωρητικότητα.400mAh μπορεί να φορτωθεί και να εκφορτωθεί μόνο σε λιγότερο ή ίσο με 2Για τη βέλτιστη ταχεία φόρτιση, ο κατασκευαστής συνιστά πολλαπλασιαστή φόρτισης 0.8C ή περίπου 2Το κύκλωμα προστασίας της μπαταρίας περιορίζει τις ταχύτητες φόρτισης και φόρτισης της μονάδας ενέργειας σε επίπεδο ασφαλείας περίπου 1C.

Η μπαταρία μαγγανίου λιθίου (LiMn2O4) με σπινέλια μαγγανίου λιθίου δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά το 1983. Το 1996, η Moli Energy εμπορευματοποίησε μπαταρίες ιόντων λιθίου με οξείδιο του λιθίου μαγγανίου ως υλικό καθοδίου.Η αρχιτεκτονική σχηματίζει μια τρισδιάστατη δομή σπινέλου που βελτιώνει τη ροή ιόντων στο ηλεκτρόδιο καιΈνα άλλο πλεονέκτημα του σπινέλ είναι η υψηλή θερμική σταθερότητα, η βελτιωμένη ασφάλεια,αλλά περιορισμένη ποδηλασία και διάρκεια ζωήςΗ χαμηλή εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας επιτρέπει την ταχεία φόρτιση και την υψηλή εκφόρτιση ρεύματος.με μέτρια συσσώρευση θερμότηταςΤο σταθερό υψηλό φορτίο σε αυτό το ρεύμα προκαλεί την αύξηση της θερμότητας και η θερμοκρασία της μπαταρίας δεν μπορεί να υπερβαίνει τους 80 °C (176 °F).Το μαγγάνιο λιθίου χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά εργαλείαΤο μαγγάνιο του λιθίου είναι περίπου το ένα τρίτο λιγότερο ισχυρό από το οξείδιο του κοβάλτου του λιθίου.Η ευελιξία του σχεδιασμού επιτρέπει στους μηχανικούς να επιλέγουν να μεγιστοποιήσουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, ή για την αύξηση του μέγιστου ρεύματος φορτίου (ειδική ισχύς) ή της χωρητικότητας (ειδική ενέργεια).η έκδοση μεγάλης χωρητικότητας έχει 1500mAh.

Το μεγαλύτερο μέρος του οξειδίου του λιθίου μαγγανίου αναμειγνύεται με οξείδιο του λιθίου νικελίου-μαγγανίου κοβαλτίου (NMC) για την αύξηση της ειδικής ενέργειας και την παράταση της ζωής.και τα περισσότερα ηλεκτρικά οχήματαΤο LMO του τμήματος της μπαταρίας μπορεί να φθάσει περίπου το 30%, το οποίο μπορεί να παρέχει υψηλό ρεύμα κατά την επιτάχυνση.και το τμήμα NMC παρέχει μεγάλη εμβέλειαΟι μελέτες μπαταριών ιόντων λιθίου τείνουν να συνδυάζουν οξείδιο του λιθίου μαγγανίου με κοβάλτιο, νικέλιο, μαγγάνιο και / ή αλουμίνιο ως ενεργά υλικά καθοδίων.προσθέτει μια μικρή ποσότητα πυριτίου στην άνοδοΑυτό παρέχει αύξηση της χωρητικότητας κατά 25%· ωστόσο, το πυρίτιο επεκτείνεται και συρρικνώνεται με την φόρτιση και την εκφόρτιση, προκαλώντας μηχανική πίεση.και η αύξηση της χωρητικότητας συχνά συνδέεται στενά με μια σύντομη διάρκεια κύκλου ζωήςΤα τρία αυτά ενεργά μέταλλα και η βελτίωση του πυριτίου μπορούν εύκολα να επιλεγούν για τη βελτίωση της ειδικής ενέργειας (δυναμικότητα), της ειδικής ισχύος (δυναμικότητα φορτίου) ή της ζωής.,Ενώ οι βιομηχανικές εφαρμογές απαιτούν συστήματα μπαταριών, με καλή χωρητικότητα φορτίου, μακρά διάρκεια ζωής και παρέχουν ασφαλείς και αξιόπιστες υπηρεσίες.

Ένα από τα πιο επιτυχημένα συστήματα ιόντων λιθίου του λιθίου-νικέλου-κοβάλτου-μαγγανίου-μαγγανικού (LiNiMnCoO2 ή NMC) είναι ο συνδυασμός της καθοδικής μονάδας του νικέλου-νικέλου-μαγγανίου-κοβάλτου (NMC).Παρόμοιο με μαγγάνιο λιθίουΓια παράδειγμα, το NMC σε μια μπαταρία 18650 υπό μεσαίες συνθήκες φορτίου έχει χωρητικότητα περίπου 2,800mAh και μπορεί να παρέχει ρεύματα εκφόρτισης 4A έως 5AΟ ίδιος τύπος NMC είναι βελτιστοποιημένος για μια ειδική ισχύ με χωρητικότητα μόλις 2.000mAh, αλλά μπορεί να παρέχει συνεχές ρεύμα εκφόρτισης 20A.αλλά η χωρητικότητα φορτίου μειώνεται και η διάρκεια ζωής του κύκλου συντομεύεταιΤο πυρίτιο που προστίθεται στο γραφίτη έχει ένα ελάττωμα, δηλαδή η άνοδος επεκτείνεται και συρρικνώνεται με την φόρτιση και την εκφόρτιση, καθιστώντας ασταθή τη μεγάλη μηχανική δομή άσκησης της μπαταρίας.Το μυστικό του NMC είναι ο συνδυασμός νικελίου και μαγγανίουΌπως αυτό είναι το επιτραπέζιο αλάτι, όπου τα κύρια συστατικά του νατρίου και του χλωριούχου είναι τοξικά, αλλά αναμιγνύονται ως άλατα γεύσης και συντηρητικά τροφίμων.Το νικέλιο είναι γνωστό για την υψηλή ειδική του ενέργειαΤα δύο ενεργά μέταλλα έχουν συμπληρωματικά πλεονεκτήματα.Η NMC είναι η μπαταρία επιλογής για τα ηλεκτρικά εργαλείαΟι συνδυασμοί των καθοδικών είναι συνήθως ένα τρίτο νικέλιο, ένα τρίτο μαγγάνιο και ένα τρίτο κοβάλτιο, επίσης γνωστό ως 1-1-1.Αυτό παρέχει ένα μοναδικό μείγμα που μειώνει επίσης το κόστος πρώτων υλών λόγω της μειωμένης περιεκτικότητας σε κοβάλτιοΈνας άλλος επιτυχημένος συνδυασμός ήταν το NCM, το οποίο περιείχε 5 μέρη νικελίου, 3 μέρη κοβαλτίου και 2 μέρη μαγγανίου (5 3-2).Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν άλλοι συνδυασμοί διαφόρων ποσοτήτων υλικών καθοδίωνΕξαιτίας του υψηλού κόστους του κοβάλτου, οι κατασκευαστές μπαταριών άλλαξαν από κοβάλτο σε καθοδικά νικέλιο.και μεγαλύτερη διάρκεια κύκλου ζωής από τις μπαταρίες με βάση το κοβάλτιο, αλλά έχουν ελαφρώς χαμηλότερες τάσεις.

Φωσφορικό λίθιο σιδήρου (LiFePO 4) Το 1996, το Πανεπιστήμιο του Τέξας διαπίστωσε ότι το φωσφορικό άλας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό καθοδίου για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου.Το φωσφόριο λιθίου έχει καλές ηλεκτροχημικές ιδιότητες και χαμηλή αντίστασηΤα κύρια πλεονεκτήματα είναι το υψηλό ονομαστικό ρεύμα και η μακρά διάρκεια κύκλου ζωής, η καλή θερμική σταθερότητα, η βελτιωμένη ασφάλεια και η ανοχή κατά της κατάχρησης.Εάν διατηρείται σε υψηλή τάση για μεγάλες περιόδουςΤο φωσφορικό λίθιο είναι πιο ανθεκτικό σε όλες τις συνθήκες φόρτισης και είναι λιγότερο αγχωμένο από άλλα συστήματα ιόντων λιθίου.Η ονομαστική τάση της μπαταρίας 2V καθιστά την ειδική ενέργεια χαμηλότερη από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου με ντόπιση κοβάλτουΓια τις περισσότερες μπαταρίες, οι χαμηλές θερμοκρασίες μειώνουν τις επιδόσεις, η αύξηση των θερμοκρασιών αποθήκευσης μειώνει τη διάρκεια ζωής, και το φωσφορικό λίθιο δεν αποτελεί εξαίρεση.Το φωσφορικό λίθιο έχει υψηλότερη αυτοαπολύση από άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου, η οποία μπορεί να προκαλέσει προβλήματα γήρανσης και περαιτέρω εξισορρόπησης, τα οποία μπορούν να διορθωθούν με τη χρήση μπαταριών υψηλής ποιότητας ή με τη χρήση προηγμένων συστημάτων διαχείρισης μπαταριών,Αλλά και οι δύο μέθοδοι αυξάνουν το κόστος της μπαταρίαςΗ διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι πολύ ευαίσθητη στις ακαθαρσίες στη διαδικασία παραγωγής και δεν μπορεί να αντέξει το ντόπινγκ του νερού.Μερικές μπαταρίες έχουν μια ελάχιστη διάρκεια ζωής μόλις 50 κύκλων.Η εικόνα 9 συνοψίζει τις ιδιότητες του φωσφορικού λιθίου.με παρόμοια τάση με τις έξι κυψέλες μολύβδου-οξέος 2V σε σειράΤο όχημα φορτίζει το μολύβι στο 14,40V (2,40V/ μπαταρία) και παραμένει πλωτό φορτισμένο.Ο σκοπός της πλωτής φόρτισης είναι να διατηρήσει το πλήρες επίπεδο φόρτισης και να αποτρέψει τη θειοποίηση των μπαταριών μολύβδου-οξέος..

Οι μπαταρίες αλουμινίου νικελίου λιθίου-κοβάλτου (LiNiCoAlO2 ή NCA) χρησιμοποιούνται από το 1999 και έχουν υψηλή ειδική ενέργεια.αρκετά καλή ειδική ισχύς και μακρά διάρκεια ζωής είναι παρόμοια με το NMCΛιγότερο κολακευτικό είναι η ασφάλεια και το κόστος.

Το τιτανάτη λιθίου (Li4Ti5O12) Οι μπαταρίες ανόδου τιτανάτη λιθίου είναι γνωστές από τη δεκαετία του 1980.και το υλικό σχηματίζει μια δομή σπινέλΤο τιτανικό λιθίου έχει ονομαστική τάση μπαταρίας 2,40V, η οποία μπορεί να φορτιστεί γρήγορα και παρέχει υψηλό ρεύμα εκφόρτισης 10C.Ο αριθμός των κύκλων λέγεται ότι είναι μεγαλύτερος από εκείνους των συμβατικών μπαταριών ιόντων λιθίουΤο τιτανικό λίθιο είναι ασφαλές και έχει εξαιρετικές ιδιότητες εκκένωσης σε χαμηλές θερμοκρασίες, επιτυγχάνοντας το 80% της χωρητικότητας στους -30 °C (-22 °F).χωρίς σχηματισμό μεμβράνης SEI και χωρίς φαινόμενο ηλεκτροπληρωμής λιθίου κατά την ταχεία φόρτιση και τη φόρτιση χαμηλής θερμοκρασίαςΗ θερμική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες είναι επίσης καλύτερη από άλλα συστήματα ιόντων λιθίου.Παρόλα αυτάΗ ειδική ενέργεια είναι χαμηλή, μόνο 65Wh/kg, συγκρίσιμη με το NiCd. Το τιτανικό λίθιο φορτίζεται σε 2,80V και 1,80V κατά την εκφόρτιση.Το σχήμα 13 δείχνει τις ιδιότητες των μπαταριών τιτανικού λιθίουΟι τυπικές χρήσεις είναι ένα ηλεκτρικό σύστημα κίνησης, UPS και ηλιακά φώτα δρόμου.Το μαγγάνιο του λιθίου και το φωσφορικό σίδηρο του λιθίου παρέχουν ανώτερη ειδική ισχύ και θερμική σταθερότηταΤο τιτανικό λιθίου έχει την καλύτερη διάρκεια ζωής.