Sechs gängige Eigenschaften und Parameter von Lithiumbatterien

Wir sprechen oft von ternären Lithiumbatterien oder Eisenlithiumbatterien, die alle nach dem positiven aktiven Material benannt sind. Dieser Artikel fasst sechs gängige Lithiumbatterietypen und ihre wichtigsten Leistungsparameter zusammen. Wie wir alle wissen, die gleiche technische Route der Zelle, die spezifischen Parameter sind nicht genau die gleichen, zeigt dieses Papier die aktuelle allgemeine Ebene der Parameter. Drei Arten von Lithiumbatterien umfassen Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), lithiummanganoxid (LiMn2O4) und Lithiumnickelkobaltmanganoxid (LiNiMnCoO2 oder NMC).

Lithiumkobaltoxid (LiCoO2)

Seine hohe spezifische Energie macht es zu einer beliebten Wahl für Mobiltelefone, Laptops und Digitalkameras. Die Batterie besteht aus einer Kobaltoxidkathode und einer Graphitkohlenstoffanode. Die Kathode hat eine Schichtstruktur. Während der Entladung bewegen sich Lithiumionen von der Anode zur Kathode, während der Ladevorgang in die entgegengesetzte Richtung verläuft.

Die Kathode hat eine Schichtstruktur. Während der Entladung bewegen sich Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Fluss von Kathode zu Anode während des Ladens.

Die Nachteile von Lithiumkobaltoxid sind eine relativ kurze Lebensdauer, eine geringe thermische Stabilität und eine begrenzte Tragfähigkeit (spezifische Leistung). Wie andere mit Kobalt gemischte Lithiumionenbatterien weist Lithiumkobaltoxid eine Graphitanode auf, und seine Lebensdauer wird hauptsächlich durch die Festelektrolytgrenzfläche (SEI) begrenzt, die sich hauptsächlich in der allmählichen Verdickung von SEI-Filmen und der anodischen Lithiumbeschichtung während des schnellen oder niedrigen Zustands manifestiert -Temperaturladung. Neuere Materialsysteme fügen Nickel, Mangan und / oder Aluminium hinzu, um die Lebensdauer, die Tragfähigkeit und die Kosten zu verbessern. Lithiumkobaltoxid darf nicht mit einem Strom geladen oder entladen werden, der höher als die Kapazität ist. Dies bedeutet, dass 18650 batterien mit 2.400 mAh nur mit einer Rate von 2.400 mA oder weniger geladen und entladen werden können. Das Erzwingen einer Schnellladung oder das Anlegen einer Last von mehr als 2400 mA kann zu Überhitzung und Überlastungsbelastung führen. Für ein optimales schnelles Laden empfiehlt der Hersteller ein Ladeverhältnis von 0,8 ° C oder etwa 2.000 mA. Die Batterieschutzschaltung begrenzt die Lade- und Entladerate der Energieeinheit auf ein sicheres Niveau von etwa 1 ° C. Das Sechseck-Spinnendiagramm fasst die Leistung von Lithiumkobaltoxid in Bezug auf die spezifische Energie oder Kapazität zusammen, die mit dem Betrieb verbunden ist. Spezifische Leistung oder die Fähigkeit, einen großen Strom bereitzustellen; Sicherheit; Leistung unter Hoch- und Niedertemperaturbedingungen; Das Leben umfasst Kalenderleben und Zyklusleben; Kostenmerkmale. Andere wichtige Merkmale, die im Spinnendiagramm nicht gezeigt werden, umfassen Toxizität, schnelle Ladekapazität, Selbstentladung und Haltbarkeit. Aufgrund der hohen Kosten für Kobalt und der signifikanten Leistungsverbesserungen, die durch Mischen mit anderen aktiven Kathodenmaterialien erzielt werden, wird Lithiumkobaltoxid allmählich durch Lithiummanganat, insbesondere NMC und NCA, ersetzt.

Lithiummanganat (LiMn2O4)

Die Spinell-Lithium-Manganat-Batterie wurde erstmals 1983 im Materialforschungsbericht veröffentlicht. 1996 vermarktete Moli Energy lithium-ionen-batterien unter Verwendung von Lithium-Manganat als Kathodenmaterial. Die Struktur bildet eine dreidimensionale Spinellstruktur, die den Ionenfluss auf der Elektrode verbessern kann, wodurch der Innenwiderstand verringert und die Stromtragfähigkeit verbessert wird. Ein weiterer Vorteil von Spinell ist eine hohe thermische Stabilität, verbesserte Sicherheit, aber die Zyklus- und Kalenderlebensdauer ist begrenzt. Niedriger Innenwiderstand ermöglicht schnelles Laden und große Stromentladung. Die 18650-Zellen-Lithium-Manganat-Batterie kann sich mit einem Strom von 20-30a entladen und weist eine moderate Wärmespeicherung auf. Es kann auch ein Lastimpuls von bis zu 50A1 Sekunden angelegt werden. Im Stromfluss kann eine anhaltend hohe Last zu einer Wärmespeicherung führen. Die Batterietemperatur sollte 80 ° C (176 ° F) nicht überschreiten. Lithiummanganat wird in Elektrowerkzeugen, medizinischen Geräten sowie Hybrid- und reinen Elektrofahrzeugen verwendet. Fig. 4 zeigt die Bildung eines dreidimensionalen Kristallgerüsts auf der Kathode einer Lithiummanganatbatterie. Die Spinellstruktur besteht normalerweise aus einer Diamantform, die zu einem Kristallgitter verbunden ist, das normalerweise nach der Batteriebildung auftritt.

Die Kristallisation der Lithiummanganatkathode weist eine dreidimensionale Gerüststruktur auf, die nach der Bildung gebildet wird. Spinell bietet einen geringen Widerstand, aber eine geringere spezifische Energie als Lithiumkobaltoxid.

Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat (LiNiMnCoO2 oder NMC)

Eines der erfolgreichsten Lithiumionen-Systeme ist die Kathodenkombination aus Nickel-Mangan-Kobalt (NMC). Ähnlich wie Lithiummanganat kann dieses System zur Verwendung als energiebatterie oder Leistungsbatterie angepasst werden. Beispielsweise hat eine NMC in einer 18650-Batterie unter Bedingungen mittlerer Last eine Kapazität von ungefähr 2.800 mAh und kann einen Entladestrom von 4A bis 5A liefern; Der gleiche NMC-Typ ist für eine bestimmte Leistung mit einer Kapazität von nur 2.000 mAh optimiert, kann jedoch einen kontinuierlichen Entladestrom von 20 A liefern. Die Anode auf Siliziumbasis erreicht 4000 mAh oder mehr, aber die Lastkapazität wird verringert und die Lebensdauer verkürzt. Das dem Graphit zugesetzte Silizium weist einen Defekt auf, dass sich die Anode beim Laden und Entladen ausdehnt und zusammenzieht, so dass die mechanische Beanspruchung der Batterie weitgehend instabil ist. Das Geheimnis von NMC liegt in der Kombination von Nickel und Mangan. Ähnlich ist das Salz, in dem die Hauptkomponenten Natrium und Chlorid selbst giftig sind, aber sie werden als Gewürzsalz und Lebensmittelkonservierungsmittel gemischt. Nickel ist bekannt für seine hohe spezifische Energie, aber seine Stabilität ist schlecht; Die Manganspinellstruktur kann einen geringen Innenwiderstand, aber eine geringe spezifische Energie erreichen. Die beiden aktiven Metalle haben komplementäre Vorteile. Der NMC ist die Batterie der Wahl für Elektrowerkzeuge, Elektrofahrräder und andere elektrische Energiesysteme. Die Kathodenkombination besteht typischerweise aus einem Drittel Nickel, einem Drittel Mangan und einem Drittel Kobalt, auch bekannt als 1-1-1. Dies bietet eine einzigartige Mischung, die aufgrund des reduzierten Kobaltgehalts auch die Rohstoffkosten senkt. Eine weitere erfolgreiche Kombination ist NCM, das 5 Teile Nickel, 3 Teile Kobalt und 2 Teile Mangan (5-3-2) enthält. Andere unterschiedliche Mengen an Kathodenmaterialkombinationen können ebenfalls verwendet werden. Aufgrund der hohen Kobaltkosten haben die Batteriehersteller von Kobalt auf Nickelkathoden umgestellt. Systeme auf Nickelbasis haben eine höhere Energiedichte, geringere Kosten und eine längere Lebensdauer als Batterien auf Kobaltbasis, ihre Spannungen sind jedoch etwas niedriger. Neue Elektrolyte und Additive können eine einzelne Batterie auf mehr als 4,4 V aufladen und so die Leistung erhöhen.

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