Tipus d'ions de liti

Font: https://batteryuniversity.com

L'ió de liti és nomenat pels seus materials actius; les paraules estan escrites íntegrament o escurçades pels seus símbols químics. Una sèrie de lletres i nombres encallats poden ser difícils de recordar i fins i tot més difícils de pronunciar, i les bateries químiques també s'identifiquen amb lletres abreujades.

Per exemple, l'òxid de cobalt de liti, un dels ions de ions més comuns, té els símbols químics LiCoO ₂ i l'abreviatura LCO. Per raons de simplicitat, la forma curta Li-cobalt també es pot utilitzar per a aquesta bateria. El cobalt és el principal material actiu que proporciona aquest caràcter de bateria. Altres químics de lioió es donen noms de forma curta semblants. Aquesta secció recull sis dels Li-ions més comuns. Totes les lectures són estimacions mitjanes al moment de l'escriptura.

Òxid de cobalt de liti (LiCoO ₂ )

La seva alta energia específica fa que Li-cobalt sigui l'elecció popular per a telèfons mòbils, ordinadors portàtils i càmeres digitals. La bateria es compon d'un càtode d'òxid de cobalt i un ánodo de carboni de grafit. El càtode té una estructura en capes i durant la descàrrega, els iones de liti es mouen des de l'ànode fins al càtode. El flux s'inverteix a càrrec. L'inconvenient de Li-cobalt és una vida útil relativament curta, baixa estabilitat tèrmica i capacitats limitades de càrrega (potència específica). La figura 1 il·lustra l'estructura.

L'inconvenient de Li-cobalt és una vida útil relativament curta, baixa estabilitat tèrmica i capacitats limitades de càrrega (potència específica). Igual que altres ionosíferos de cobalt, Li-cobalt té un ànode de grafit que limita la vida del cicle mitjançant una interfície electrolítica sòlida (SEI) canviant, engrosant-se sobre l'ànode i el revestiment de liti mentre es carrega ràpidament i es carrega a baixa temperatura. Els sistemes més nous inclouen níquel, manganès i / o alumini per millorar la longevitat, la capacitat de càrrega i el cost.

El cobalto de Li no hauria de ser carregat i descarregat en un corrent major que la seva qualificació C. Això significa que una cel·la de 18.650 amb 2.400 mAh només es pot carregar i descarregar a 2.400 mA. Forçar un càrrega ràpida o aplicar una càrrega superior a 2.400 mA provoca un sobreescalfament i estrès indegut. Per obtenir un càrrega ràpida òptima, el fabricant recomana un índex C de 0.8C o uns 2.000 mA. (Se e BU-402: Quina és la taxa C ). El circuit obligatori de protecció de la bateria limita la velocitat de càrrega i descàrrega a un nivell segur d'aproximadament 1C per a la cel·la d'energia.

L'aranya hexagonal gràfica (Figura 2) resumeix el rendiment del Li-cobalt en termes d' energia o capacitat específica que es relaciona amb el temps d'execució; potència específica o la capacitat de subministrar corrent elevada; seguretat; rendiment a temperatures fredes i calentes; vida útil que reflecteix la vida del cicle i la longevitat; i el cost . Altres característiques d'interès que no es mostren a les teles d'aranya són la toxicitat, les capacitats ràpides, l'autoclau i la vida útil. (Vegeu BU-104c: La bateria de l'octàgon - Què fa que la bateria estigui bateria ).

El Li-cobalt està perdent el favor del Li-manganès, però sobretot NMC i NCA a causa de l'elevat cost del cobalt i un millor rendiment mitjançant la barreja amb altres materials de càtodes actius. (Vegeu la descripció de NMC i NCA a continuació).

Taula resumida

Taula 3: Característiques de l'òxid de cobalt de liti.

Òxid de manganès de liti (LiMn ₂ O ₄ )

Li-ion amb espinel de manganès es va publicar per primera vegada al Butlletí d'Investigació de Materials el 1983. El 1996, Moli Energy va comercialitzar una cèl·lula de Li-ion amb òxid de manganès de liti com a material de càtode. L'arquitectura forma una estructura tridimensional d'espinel que millora el flux ió de l'elèctrode, el que causa una menor resistència interna i un millor maneig actual. Un avantatge addicional de l'espinela és una alta estabilitat tèrmica i una major seguretat, però la vida del cicle i el calendari són limitats.

La resistència baixa de les cèl·lules internes permet una ràpida càrrega i alta càrrega de corrent. En un paquet de 18650, el Li-manganès es pot descarregar a corrents de 20-30A amb acumulació de calor moderada. També és possible aplicar polsos de càrrega d'un segon de fins a 50A. Una càrrega elevada contínua en aquest corrent produiria acumulació de calor i la temperatura de la cel·la no pot superar els 80 ° C (176 ° F). El li-manganès s'utilitza per a eines elèctriques, instruments mèdics, així com vehicles híbrids i elèctrics.

La figura 4 il·lustra la formació d'un marc cristal·lí tridimensional sobre el càtode d'una bateria de Li-manganès. Aquesta estructura d'espinel, que normalment es compon de formes de diamants connectades en una xarxa, apareix després de la formació inicial.

El li-manganès té una capacitat que és aproximadament un terç inferior a Li-cobalt. La flexibilitat de disseny permet als enginyers maximitzar la bateria per una longevitat òptima (vida útil), corrent de càrrega màxima (potència específica) o alta capacitat (energia específica). Per exemple, la versió de llarga vida a la cel·la 18650 té una capacitat moderada de només 1.100 mAh; la versió d'alta capacitat és de 1.500 mAh.

La figura 5 mostra la tela d'aranya d'una bateria típica de Li-manganès. Les característiques apareixen marginal però s'han millorat els dissenys en termes de potència, seguretat i vida útil específiques. Les bateries Pure Li-manganese ja no són habituals; només es poden utilitzar per a aplicacions especials.

La majoria de les bateries de li-manganès es barregen amb òxid de cobalto de níquel de liti (NMC) per millorar l'energia específica i allargar la vida útil. Aquesta combinació treu el millor de cada sistema, i l'OVM (NMC) és escollit per a la majoria de vehicles elèctrics, com ara el Nissan Leaf, Chevy Volt i BMW i3. La part LMO de la bateria, que pot ser al voltant del 30 per cent, proporciona un gran impuls actual a l'acceleració; la part de NMC dóna el llarg rang de maneig.

La investigació amb ió-ions gravita en gran mesura cap a la combinació de Li-manganès amb cobalt, níquel, manganès i / o alumini com a material de càtode actiu. En alguna arquitectura, s'afegeix una petita quantitat de silici a l'ànode. Això proporciona un augment del 25 per cent de capacitat; no obstant això, el guany és comunament relacionat amb una vida més curta del cicle, ja que el silici creix i es redueix amb càrrega i descàrrega, causant estrès mecànic.

Aquests tres metalls actius, així com la millora del silici, es poden triar convenientment per millorar l'energia específica (capacitat), la potència específica (capacitat de càrrega) o la longevitat. Mentre les bateries de consum es destinen a una gran capacitat, les aplicacions industrials requereixen sistemes de bateries que tinguin bones capacitats de càrrega, proporcionin una llarga vida i proporcionin un servei segur i fiable.

Taula resumida

Taula 6: Característiques de l'òxid de lithium manganese.

Òxid de cobalt de níquel de liti (LiNiMnCoO ₂ o NMC)

Un dels sistemes de Li-ion més reeixits és una combinació de càtodes de níquel-manganès-cobalt (NMC). Similar a Li-manganese, aquests sistemes es poden adaptar a serv i com Energy Cells o Power Cells . Per exemple, NMC en una cel·la de 18650 per a condicions de càrrega moderada té una capacitat d'uns 2.800 mAh i pot oferir 4A a 5A; NMC a la mateixa cel·la optimitzada per a una potència específica té una capacitat d'uns 2.000 mAh, però proporciona un corrent de descàrrega contínua de 20A. Un àtode basat en silici anirà a 4.000 mAh i més alt, però amb una capacitat de càrrega reduïda i una vida útil més curta. El silici afegit al grafit té l'inconvenient que l'ànode creix i es redueix amb càrrega i descàrrega, fent que la cèl·lula sigui mecànicament inestable.

El secret de NMC rau en la combinació de níquel i manganès. Una analogia d'això és la sal de taula en què els ingredients principals, el sodi i el clorur, són tòxics per si sols, però barrejar-los serveix com a condimentador de sal i conservant d'aliments. El níquel és conegut per la seva alta energia específica, però amb una estabilitat deficient; El manganès té el benefici de formar una estructura de espinel per aconseguir una baixa resistència interna, però ofereix una energia específica baixa. La combinació dels metalls augmenta les fortaleses dels altres.

NMC és la bateria d'elecció per a eines elèctriques, bicicletes electròniques i altres motors elèctrics. La combinació de càtodes sol ser un terç de níquel, un tercer manganès i un terç de cobalt, també conegut com 1-1-1. Això ofereix una combinació única que també redueix el cost de la matèria primera a causa del contingut de cobalt reduït. Una altra combinació reeixida és NCM amb 5 parts de níquel, 3 parts de cobalt i 2 parts de manganès (5-3-2). Es poden fer altres combinacions amb diferents quantitats de materials de càtode.

Els fabricants de bateries s'allunyen dels sistemes de cobalt cap als càtodes de níquel a causa de l'alt cost del cobalt. Els sistemes basats en níquel tenen una major densitat d'energia, menor cost i una major vida útil del cicle que les cèl·lules basades en cobalt, però tenen una tensió lleugerament més baixa.

Els nous electròlits i additius permeten carregar fins a 4.4V / cèl · lula i més per augmentar la capacitat. La figura 7 mostra les característiques del NMC.

Hi ha un moviment cap a un Li-ion barrejat per NMC, ja que el sistema es pot construir econòmicament i s'aconsegueix un bon rendiment. Els tres materials actius de níquel, manganès i cobalt es poden combinar fàcilment per adaptar-se a una àmplia gamma d'aplicacions per a sistemes d'emmagatzematge d'energia i automoció (EES) que necessiten un ciclisme freqüent. La família NMC està creixent en la seva diversitat.

Taula resumida

Taula 8: Característiques de l'òxid de cobalt de níquel de liti (NMC).

Fosfat de ferro de liti (LiFePO ₄ )

El 1996, la Universitat de Texas (i altres col·laboradors) van descobrir fosfat com a material de càtode per a bateries de liti recarregables. Li-fosfat ofereix un bon rendiment electroquímic amb baixa resistència. Això és possible amb material de càtode de fosfat nanoescala. Els beneficis clau són l'alta qualificació actual i la vida útil del cicle llarg, a més d'una bona estabilitat tèrmica, una major seguretat i tolerància si s'abusa.

El fosfat de líquid és més tolerant a les condicions de càrrega completa i és menys estressat que altres sistemes de ions de liti si es manté en alta tensió durant un temps prolongat. (Veure BU-808: Com prolongar les bateries de liti ). Com a compensació, la seva tensió nominal més baixa de 3,2V / cel·la redueix l'energia específica per sota de l'ió de liti barrejat amb cobalt. Amb la majoria de les bateries, la temperatura freda redueix el rendiment i la temperatura d'emmagatzematge elevada escurça la vida útil, i el Li-fosfat no és una excepció. Li-fosfat té una major autorregulació que altres bateries de Li-ion, que poden provocar problemes d'equilibri amb l'envelliment. Això es pot mitigar mitjançant la compra de cèl·lules d'alta qualitat i / o l'ús d'una sofisticada electrònica de control, ambdós que augmenten el cost del paquet. La neteja en la fabricació és important per a la longevitat. No hi ha tolerància per a la humitat, perquè la bateria només lliuri 50 cicles. La Figura 9 resumeix els atributs de Li-fosfat.

El lífosfato s'utilitza sovint per reemplaçar la bateria d'arrencada d'àcids de plom. Quatre cèl·lules en sèrie produeixen 12.80V, un voltatge similar a sis cèl·lules d'àcid de plom 2V en sèrie. Els vehicles carreguen l'àcid de plom a 14.40V (2.40V / cèl·lula) i mantenen un càrrec superior. S'aplica la càrrega de càrrega per mantenir el nivell de càrrega completa i evitar la sulfatació de les bateries d'àcids.

Amb quatre cèl·lules de fosfat de Li en sèrie, cada cel·la arriba als 3,60 V, que és la tensió completa de càrrega completa. En aquest moment, la càrrega s'ha de desconnectar, però la càrrega superior es manté durant la conducció. Li-fosfat és tolerant a un sobrecàrrega; Tanmateix, mantenint la tensió a 14.40V durant un temps prolongat, ja que la majoria dels vehicles fan un llarg viatge per carretera, podria estrènyer el fosfat de Li. El temps indicarà com durarà el Li-Fosfat com un reemplaçament d'àcid de plom amb un sistema de càrrega regular del vehicle. La temperatura freda també redueix el rendiment del Li-ion i això podria afectar la capacitat d'arrencada en casos extrems.

Taula resumida

Taula 10: Característiques del fosfat de ferro de liti.

Óxido d'alumini cobalí de níquel de liti (LiNiCoAlO ₂ )

La bateria d'òxid d'alumini cobalí de níquel de liti, o NCA, ha existit des de 1999 per a aplicacions especials. Comparteix similituds amb el NMC oferint energia específica elevada, un poder específic raonablement bo i una llarga vida útil. Menys halagador són la seguretat i el cost. La Figura 11 resumeix les sis característiques clau. NCA és un nou desenvolupament de l'òxid de níquel de liti; L'addició d'alumini proporciona a la química una major estabilitat.

Taula resumida

Taula 12: Característiques del òxid d'alumini cobalí de níquel de liti.

Titanat de liti (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Les bateries amb ànodes de titanato de liti s'han conegut des dels anys vuitanta. El titanat de Li reemplaça el grafit a l'ànode d'una bateria de ions de liti típic i les formes de material en una estructura de espinel. El càtode pot ser òxid de manganès de liti o NMC. El titanat de Li té una tensió nominal de 2.40V, es pot carregar ràpidament i oferir una alta corrent de descàrrega de 10C, o 10 vegades la capacitat nominal. Es diu que el recompte de cicles és superior al d'un Li-ion normal. El titanat de Li és segur, té excel·lents característiques de descàrrega a baixa temperatura i obté una capacitat del 80 per cent a -30 ° C (-22 ° F).

LTO (normalment Li4Ti ₅ O ₁₂ ) té avantatges sobre el Li-ion mixt cobalto convencional amb ànode de grafit aconseguint propietats de tensió zero, sense formació de pel·lícules SEI i sense recobriment de liti quan es carrega ràpidament i es carrega a baixa temperatura. L'estabilitat tèrmica a alta temperatura també és millor que altres sistemes de ions de liti; no obstant això, la bateria és cara. A només 65Wh / kg, l'energia específica és baixa, rivalitzant amb la de NiCd. Els càrregues de titanat de Li a 2.80V / cel·la i el final de descàrrega és de 1.80V / cel·la. La figura 13 il·lustra les característiques de la bateria de titani de Li. Els usos típics són les powertrains elèctriques, UPS i la il·luminació solar.
 

Taula resumida

Taula 14: Característiques del titanat de liti.

La Figura 15 compara l'energia específica dels sistemes basats en plom, níquel i liti. Tot i que Li-alumini (NCA) és el guanyador clar per emmagatzemar més capacitat que altres sistemes, això només s'aplica a l'energia específica. En termes d'energia específica i estabilitat tèrmica, el Li-manganès (LMO) i el Li-fosfat (LFP) són superiors. El titanat de Li (LTO) pot tenir baixa capacitat, però aquesta química sobreviu a la majoria de les altres bateries en termes de vida i també té el millor rendiment de la temperatura en fred. Si avança cap al motor elèctric, la seguretat i la vida útil del cicle tindran un domini sobre la capacitat. (LCO significa Li-cobalt, el Li-ion original).

Figura 15: Energia específica típica de bateries de plom, níquel i liti.
NCA gaudeix de la major energia específica; Tanmateix, el manganès i el fosfat són superiors en termes de potència específica i estabilitat tèrmica. El titanat de Li té la millor vida útil.
^{Cortesia de Cadex}