Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) -Batterie - Hersteller von LiNiMnCoO2

1) Übersicht über die ternäre Lithiumbatterie

Ternäre Lithiumbatterie bezeichnet eine Lithiumbatterie, die ternäre Materialien aus Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid (LiNiMnCoO2, NMC) oder Lithium-Nickel-Kobaltaluminat (NCA) als Anodenmaterial verwendet. Ternär bedeutet unterschiedliche Anteile für unterschiedliche Einstellungen von Nickelsalz, Kobaltsalz und Mangansalz als drei verschiedene Komponenten. Viele Batterien haben viele unterschiedliche Anteile an ternären Materialien.

In Bezug auf die Form können ternäre Lithiumbatterien in Softpack-Batterien, zylindrische Batterien und quadratische Hartschalenbatterien unterteilt werden. Seine Nennspannung kann 3,6-3,8 V erreichen. Es hat eine hohe Energiedichte, eine Hochspannungsplattform, eine hohe Abgriffdichte, einen langen Lebensdauerbereich, eine große Ausgangsleistung, eine ausgezeichnete Leistung bei niedriger Temperatur, aber eine schlechte Stabilität bei hoher Temperatur und hohe Kosten.

1. Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Dichte

Derzeit entwickelte ternäre Anodenmaterialien umfassen NMC111, NMC442, NMC532, NMC622, NMC811 und NCA. Der Leistungsvergleich dieser ternären Materialien ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Vergleich der ternären Materialleistung Tabl

2. Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Struktur

Die kambiumartige Struktur des ternären Nickel-Kobalt-Mangan-Materials besteht aus einer hexagonalen dichten Stapelung. Seine Struktur und seine chemische Lade-Entlade-Gleichung lauten wie folgt:

Kristallstruktur von ternärem Anodenmaterial aus Nickel-Kobalt-Mangan

3. Chemische Gleichung von Ladung und Entladung

Entladung: LiNixMnyCozO2 → Li1-tNixMnyCozO2 + tLi ++ te

Ladung: Li1-tNixMnyCozO2 + tLi ++ te → LiNixMnyCozO2

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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In ternärem Nickel-Mangan-Kobalt-Material kann der Einbau eines Manganelements die Stabilität des Materials verbessern, so dass die Struktur aufgrund der Einbettung von Lithiumionen nicht zusammenbricht. Die Zugabe von Nickel kann die Kapazität erhöhen und zu einem neuen Valenzelement werden. Dann wird das ternäre Anodenmaterialsystem durch NMC dargestellt.

2) Vor- und Nachteile der ternären Lithiumbatterie

Vorteile der ternären Lithiumbatterie

1. Hochspannungsplattform

Die Spannungsplattform ist ein wichtiger Index für die Batterieenergiedichte, der den grundlegenden Wirkungsgrad und die Kosten der Batterie bestimmt. Daher ist es für die Auswahl der Batteriematerialien von großer Bedeutung. Je höher die Spannungsplattform ist, desto größer ist die spezifische Kapazität. Bei gleichem Volumen, Gewicht und sogar Amperestunde ist die Batterielebensdauer der Lithiumbatterie mit ternärem Material umso länger, je höher die Spannungsplattform ist. Die Spannungsplattform des ternären Materials ist signifikant höher als die von Lithiumeisenphosphat. Mit der hohen Leitung können bis zu 4,2 Volt und die Entladeplattform bis zu 3,6 oder 3,7 Volt betragen.

2. Hohe Energiedichte

Eine hohe Energiedichte ist der größte Vorteil von ternären Lithiumbatterien, während die Spannungsplattform ein wichtiger Indikator für die Batterieenergiedichte ist, die die Grundleistung und die Kosten von Batterien bestimmt. Je höher die Spannungsplattform ist, desto größer ist die spezifische Kapazität. Daher ist bei gleichem Volumen, Gewicht und sogar gleicher Amperestunde die Batterielebensdauer der Lithiumbatterie mit ternärem Material umso länger, je höher die Spannungsplattform ist.

3. Hohe Klopfdichte

Die Klopfdichte bezieht sich auf die Masse pro Volumeneinheit, gemessen nach Vibration des Pulvers im Behälter unter bestimmten Bedingungen. Die Klopfdichte oder Volumendichte (in einigen Branchen als scheinbare Dichte bezeichnet) ist definiert als die Masse einer Probe geteilt durch ihr Volumen, einschließlich der Probe selbst, des Porenraums der Probe und des Volumens des Spaltes zwischen den Proben.

Nachteile der ternären Lithiumbatterie

Schlechte Sicherheit: Die Temperatur des Akkus steigt nach dem Laden und Entladen mit hoher Leistung stark an, und der Sauerstoff wird nach hohen Temperaturen freigesetzt, die sehr leicht zu verbrennen sind.

Schlechte Hochtemperaturbeständigkeit: Unter Hochtemperaturbedingungen wird die Batterieleistung beeinträchtigt.

Kurze Lebensdauer: Unter Standardbedingungen (25 ° C Arbeitstemperatur, 0,5 ° C Lade- und Entladeverhältnis) beträgt die Lebensdauer der Batterie das 2000- bis 3000-fache.

Schlechte Lade- und Entladeleistung: Unter den Bedingungen einer hohen Lade- und Entladerate nimmt die Batterielebensdauer stark ab.

3) Eigenschaften von Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid (NMC)

4) NMC 622 Batterie

Die NMC622-Batterie bezieht sich auf die ternäre Lithiumbatterie mit einem 6: 2: 2-Anodenmaterialanteil von Nickel, Kobalt und Mangan. NMC622-Material ist heute eines der üblicherweise verwendeten NMC-Materialien mit hohem Nickelgehalt, und die Kapazität des Materials kann mehr als 180 mAh / g betragen, was weitaus höher ist als die herkömmlicher LiCoO2-Materialien. Ein hoher Ni-Gehalt verringert jedoch die thermische Stabilität des Materials und wirkt sich auf die Lebensdauer des Materials aus. Daher entwickelten die Forscher eine Vielzahl von Methoden zur Verbesserung der Stabilität des NMC622-Materialzyklus, wie Oberflächenbeschichtung, Elementdotierung und Elektrolytadditive usw.

5) NMC 811 Batterie

Die NMC811-Batterie mit hohem Nickelgehalt ist eine ternäre Lithiumbatterie, bei der der Anodenmaterialanteil von Nickel-Kobalt-Mangan 8: 1: 1 und der Nickelanteil bis zu 80% beträgt. Dieses Material ist ein neuartiges Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien, das in den letzten Jahren entwickelt wurde. Es hat die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer guten Zyklusstabilität und angemessener Kosten.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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NMC 811 verwendet Mn SO 4 · H 2 O, Ni SO 4 · 6H 2 O und Co SO 4 · 7 H 2 O, um die erforderliche Konzentrationslösung gemäß dem Molverhältnis von 8: 1: 1 herzustellen. Geben Sie die Metallsalzlösung, Ammoniakwasser und Natronlauge in einen 50 l kontinuierlichen Rührreaktor bei einer konstanten Temperatur von 60 ° C und der erforderliche Vorläufer von Ni0,8Co0,1Mn0,1 (OH) 2 wird unter bestimmten technologischen Bedingungen mit Stickstoff synthetisiert Schutz. Entsprechend dem Molverhältnis von Lithiumquelle und Vorläufer von 1,05: 1 werden die erforderlichen Rohstoffe im Hochgeschwindigkeitsmischer mit einer Frequenz von 30 Hz gewogen und gleichmäßig gemischt. Die obigen Gemische werden unter verschiedenen Sinterprozessbedingungen mit 80% (v) Sauerstoff gesintert und erzeugen dann Li Ni0,8Co0,1Mn0,1O2.

6) NMC vs NCA Batterie

Je nach Zusammensetzung der Anodenmaterialien können ternäre Lithiumbatterien in NCA und NMC unterteilt werden.

NMC ist ein Anodenmaterial, das in einem bestimmten Verhältnis aus drei Materialien aus Nickel-Kobalt-Mangan besteht, während das Anodenmaterial aus NCA aus Nickel-Kobalt-Aluminium besteht, wobei jeder Buchstabe den chemischen Initialen der verwandten Elemente entspricht. Wie Sie sehen können, sind die ersten beiden ternären Materialien gleich, Nickel und Kobalt, aber mit Ausnahme des letzten Mangan und Aluminium.

NMC bezieht sich auf ternäres LiNixCoyMn1-x-yO2-Material, das derzeit das am häufigsten verwendete ternäre Material ist und auch als Entwicklungstrend angesehen wird. In NMC-Batterien können NMC-Materialien entsprechend ihrem Gehalt in NMC111, NMC523, NMC622 und NMC811 unterteilt werden, wobei die letztere Zahl den Anteil der Materialien darstellt. Mit zunehmendem Nickelgehalt steigt die Energiedichte der Batterie. Die Energiedichte der ternären Batterie vom Typ 111 beträgt etwa 2,0 kWh / l, und die Energiedichte der ternären Batterie vom Typ 622 beträgt bis zu 2,3 kWh / l. Je nach Modell und Marktnachfrage hat die NMC-Batterie eine gute Anwendungsperspektive für 3C oder Transport.

NCA bezieht sich auf ternäres Material von LiNi1-x-yCoxAlyO2, und das Verhältnis beträgt tendenziell 8: 1,5: 0,5. Es wurde aus der Entdeckung von Lithium-Nickeloxid (LiNiO2) abgeleitet. Dieser Akku hat eine höhere Kapazität und eine entsprechend geringere Stabilität, daher wird etwas Aluminium hinzugefügt, um die Struktur zu stabilisieren. Die übliche Summenformel lautet LiNi0,8Co0,15Al0,05O2. Genau genommen ist NCA möglicherweise kein ternäres Material, sondern ein modifiziertes binäres Material. Im Vergleich zu NMC wird der NCA-Markt von Japan Chemical, Toda und Sumitomo Metal monopolisiert. Panasonic und SONY sind die Hauptlieferanten von NCA-Batterien, und es gibt auch einige Anwendungen in Taiwan. NCA-Batterie hat ein hohes Energiedichteverhältnis. Derzeit ist die ternäre High-End-Batterie hauptsächlich NCA. Das Tesla-Elektroauto verwendet eine Panasonic 18650-Batterie, bei der es sich bei dem Anodenmaterial um ternäres NCA-Material handelt.

Derzeit sind NMC und NCA zwei Ideen, um das Stabilitätsproblem von LiNiO2 auf dem Markt zu lösen. Mn und Al spielen keine Kapazitätsrolle, spielen aber eine unterstützende Rolle und haben eine bessere Stabilität. NCA mit hohem Nickelgehalt haben eine höhere Kapazität als NCA, aber eine bessere Sicherheit als NMC.

7) LFP gegen NMC-Batterie

Unter dem Gesichtspunkt der Batterieenergiedichte, der Leistung bei niedrigen Temperaturen, der Sicherheit, der Lebensdauer und der Kosten haben Lithiumeisenphosphatbatterien und ternäre Lithiumbatterien ihre eigenen Vorteile, die zur Differenzierung des Weges der Anodenmaterialtechnologie von Leistungslithiumbatterien führen.

1. Energiedichte: ternäres Lithium> Lithiumeisenphosphat

Aufgrund der chemischen Eigenschaften hat die Lithiumeisenphosphatbatterie eine Niederspannungsplattform und ihre Energiedichte beträgt etwa 140 Wh / kg. Die ternäre Lithiumbatterie hat eine hohe Spannung und ihre Energiedichte beträgt tendenziell 240 Wh / kg. Mit anderen Worten, bei gleichem Batteriegewicht beträgt die Energiedichte von ternärem Lithium das 1,7-fache von Lithiumeisenphosphat. Es besteht kein Zweifel, dass ternäre Lithiumbatterien einen Vorteil in der Energiedichte haben, aber die Energiedichte von ternären Lithiumbatterien variiert mit der unterschiedlichen Formel (Nickel, Kobalt, Mangan / Aluminium in unterschiedlichen Anteilen).

2. Sicherheit: Lithiumeisenphosphat> ternäres Lithium

Die thermische Stabilität von Lithiumeisenphosphat ist die beste unter den aktuellen Lithiumbatterien für Kraftfahrzeuge. Der elektrothermische Peak liegt über 350 ° C. Wenn die Batterietemperatur 500-600 ° C beträgt, beginnen sich die internen chemischen Komponenten zu zersetzen.

Ternäre Lithiumbatterien weisen eine schlechte thermische Stabilität auf. Es beginnt sich bei etwa 300 ° C zu zersetzen, so dass das Batteriemanagementsystem strenge Anforderungen an Übertemperaturschutzgeräte und Batteriemanagementsysteme stellt, um die Sicherheit der Batterie zu schützen. Daher ist Lithiumeisenphosphat bei hohen Temperaturen relativ sicher.

3. Niedertemperaturleistung: ternäres Lithium> Lithiumeisenphosphat

Die untere Temperaturgrenze der Lithiumeisenphosphatbatterie liegt bei -20 ° C, und die Entladeleistung ist in Umgebungen mit niedriger Temperatur schlecht. Die Kapazitätsretentionsrate beträgt etwa 60 bis 70% bei 0 ° C, 40 bis 55% bei -10 ° C und 20 bis 40% bei -20 ° C.

Die untere Temperaturgrenze der ternären Lithiumbatterie liegt bei -30 ° C, und die Entladeleistung bei niedriger Temperatur ist gut. Unter den gleichen Niedertemperaturbedingungen wie bei einer Lithiumeisenphosphatbatterie verringert sich die Laufleistung im Winter um weniger als 15%, was erheblich höher ist als bei einer Lithiumeisenphosphatbatterie.

4. Zykluslebensdauer: Lithiumeisenphosphat> ternäres Lithium

Die Batterielebensdauer ist der Kapazitätsabfall der Batterie nach mehrmaligem Laden und Entladen. Wenn die Batterie eines Elektrofahrzeugs vollständig aufgeladen ist, erreicht der Abfall im Allgemeinen 80% der ursprünglichen Leistung, was bedeutet, dass die Batterie ersetzt werden sollte.

Der vollständige Lade- und Entladezyklus der Lithiumeisenphosphatbatterie muss mehr als das 3500-fache betragen, bevor die Kapazität auf 80% des Originals abfällt. Das heißt, wenn Lithiumeisenphosphatbatterien einmal täglich geladen und entladen werden, benötigen sie noch fast 10 Jahre, um ein offensichtliches Zerfallsphänomen zu zeigen.

Und ternäre Lithiumbatterien haben eine kürzere Lebensdauer als Lithiumeisenphosphatbatterien. Mehr als das 2000-fache des vollständigen Lade- und Entladezyklus lässt die Batterie als Dämpfungsphänomen erscheinen, dh nach etwa 6 Jahren. Das Batteriemanagement und das elektronische Steuerungssystem des Fahrzeugs können die Batterielebensdauer geringfügig verlängern, jedoch nur geringfügig verzögern.

5. Kosten: ternäres Lithium> Lithiumeisenphosphat

Lithiumeisenphosphatbatterie hat Kostenvorteile. Es enthält kein Edelmetall (Nickel und Kobalt) und ist daher relativ billig herzustellen.

Ternäre Lithiumbatterien verwenden eine Vielzahl von Materialien aus Nickel, Kobalt und Mangan, und die Herstellung von Batterien mit hohem Nickelgehalt erfordert eine strenge Prozessumgebung, sodass die aktuellen Kosten relativ hoch sind.

Nach mehreren Jahren der Entwicklung als Schlüsselmaterial begannen Lithium, Kobalt und anderes Metall, an Ressourcen zu mangeln, insbesondere Kobalt. Sein Preis steigt weiter und das Angebot liegt über 200.000 Yuan / Tonne. Der Preis für eine Tonne elektrolytisches Nickel liegt jetzt bei etwas mehr als 110.000 Yuan. Daher tendieren Batterieunternehmen dazu, NCM 811 zu verwenden, um den Nickelgehalt zu verbessern und Kobalt zu reduzieren, was auch die Kosten senkt.

8) Leistungsvergleich von Anodenmaterialien der Mainstream-Lithium-Ionen-Batterie

Anodenmaterial ist eines der Schlüsselmaterialien, die die Leistung von Lithiumionenbatterien bestimmen, und es ist auch die Hauptquelle für Lithiumionen in den gegenwärtigen kommerziellen Lithiumionenbatterien. Seine Leistung und sein Preis haben einen großen Einfluss auf Lithium-Ionen-Batterien. Gegenwärtig umfassen die entwickelten und angewendeten Anodenmaterialien hauptsächlich lithiumkobaltoxid (LCO), lithiummanganoxid (LMO), ternäre Materialien wie Lithiumnickelkobaltmanganoxid (NMC), Lithiumnickelkobaltaluminat (NCA), Lithiumeisenphosphat (NCA) LFP) und Lithiumtitanat (LTO).

Leistungsvergleich mehrerer kommerzieller Anodenmaterialien

Das folgende Diagramm vergleicht die spezifischen Energien von Blei-, Nickel- und Lithiumsystemen. Obwohl Lithiumaluminium (NCA) durch die Speicherung von mehr Kapazität als andere Systeme der Gewinner ist, ist es nur in bestimmten Szenarien für den Stromverbrauch geeignet. Lithiummanganat (LMO) und Lithiumphosphat (LFP) sind hinsichtlich spezifischer Leistung und thermischer Stabilität überlegen. Lithiumtitanat (LTO) hat zwar eine geringere Kapazität, aber die längste Lebensdauer als andere Batterien und die beste Leistung bei niedrigen Temperaturen.

Typische spezifische Energie von Blei-, Nickel- und Lithiumbatterien

NCA hat die höchste spezifische Energie; Lithiummanganat und Lithiumeisenphosphat sind jedoch hinsichtlich Leistung und thermischer Stabilität überlegen. Lithiumtitanat hat die beste Lebensdauer.