Gemeinsame Eigenschaften und Parameter von sechs Lithiumbatterien

Die spezifischen Parameter der Batterien derselben technischen Route sind nicht genau dieselben. Das allgemeine Niveau der aktuellen Parameter wird in diesem Dokument gezeigt. Die sechs Lithiumbatterien umfassen speziell: Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), Lithiummanganat (LiMn2O4), Lithiumnickelkobaltmanganoxid (LiNiMnCoO2 oder NMC), Lithiumkobaltaluminiumaluminat (LiNiCoAlO2 oder NCA), lithiumeisenphosphat (LiFeO) (Li4Ti5O12).

Kobaltsäurelithium (LiCoO2)

Aufgrund seiner hohen spezifischen Energie ist Lithiumkobaltoxid eine beliebte Wahl für Mobiltelefone, Notebooks und Digitalkameras. Die Batterie besteht aus einer Kobaltoxidkathode und einer Graphitkohlenstoffanode. Die Kathode hat eine Schichtstruktur, in der sich Lithiumionen während der Entladung von der Anode zur Kathode bewegen und der Ladevorgang in die entgegengesetzte Richtung verläuft.

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

Extrem ist seine Zykluslebensdauer hauptsächlich durch die Festelektrolytgrenzfläche (SEI) begrenzt, hauptsächlich durch die allmähliche Verdickung des SEI-Films und das Anodenbeschichtungsproblem des Schnelllade- oder Niedertemperatur-Ladeprozesses. Neuere Materialsysteme fügen Nickel, Mangan und / oder Aluminium hinzu, um die Lebensdauer, die Tragfähigkeit und die Kosten zu erhöhen. Lithiumcobaltat sollte nicht mit einem höheren Strom als der Kapazität geladen und entladen werden. Dies bedeutet, dass ein 18650-akku mit 2.400 mAh nur mit 2.400 mA oder weniger geladen und entladen werden kann. Das Erzwingen eines schnellen Ladens oder das Anlegen einer Last von mehr als 2400 mA kann zu Überhitzung und Überlastungsbelastung führen. Für das beste Schnellladen empfiehlt der Hersteller eine Laderate 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. Die hexagonale Spinnenkarte (Abbildung 2) fasst die spezifischen Energie- oder Kapazitätsaspekte der mit dem Betrieb verbundenen Lithiumcobaltat-Leistung zusammen. spezifische Leistung oder Fähigkeit, große Ströme bereitzustellen; Sicherheit; Leistung in Umgebungen mit hohen und niedrigen Temperaturen; Lebensdauer einschließlich Kalenderlebensdauer und Zykluslebensdauer; Kostenmerkmale. Weitere wichtige Merkmale, die in der Spinnenkarte nicht aufgeführt sind, sind Toxizität, Schnellladefähigkeit, Selbstentladung und Haltbarkeit. Aufgrund der hohen Kosten für Kobalt und der erheblichen Leistungsverbesserungen, die durch das Mischen von Materialien mit anderen aktiven Kathodenmaterialien hervorgerufen werden, wird Lithiumkobaltoxid allmählich durch Lithiummanganat, insbesondere NMC und NCA, ersetzt (siehe Beschreibung in der Beschreibung des NMC und NCA.)

Kobaltsäurelithium zeichnet sich durch eine hohe spezifische Energie aus, aber in Bezug auf die Leistungseigenschaften können Sicherheit und Lebensdauer eine allgemeine Leistung erbringen

Lithiummangansäure (LiMn2O4)

Die Spinell-Lithium-Manganat-Batterie wurde erstmals 1983 in einem Materialforschungsbericht veröffentlicht. 1996 vermarktete Moli Energy Lithium-Ionen-Batterien mit Lithium-Manganat als Kathodenmaterial. Die Architektur bildet eine dreidimensionale Spinellstruktur, die den Ionenfluss auf den Elektroden verbessert, den Innenwiderstand verringert und die Stromtragfähigkeit verbessert. Ein weiterer Vorteil von Spinell ist seine hohe thermische Stabilität und verbesserte Sicherheit, aber begrenzte Zyklus- und Kalenderlebensdauer. Ein niedriger Innenwiderstand der Batterie ermöglicht ein schnelles Laden und eine hohe Stromentladung. Batterie vom Typ 18650, Lithium-Manganat-Batterie kann sich bei 20-30 A entladen und hat eine moderate Wärmespeicherung. Es ist auch möglich, einen Lastimpuls von bis zu 50A1 Sekunden anzulegen. Anhaltend hohe Lasten bei diesem Strom können zu Wärmestau führen und die Batterietemperatur darf 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 mit einem Kristallgitter verbunden ist, was im Allgemeinen nach der Bildung der Batterie auftritt.

Mangansäurelithiumkathodenkristallisation in Form nach dreidimensionaler Rahmenstruktur. Spinell bietet einen geringen Widerstand, aber die spezifische Energie ist niedriger als bei Kobaltsäurelithium.

Lithiummangansäure hat eine um etwa ein Drittel geringere Kapazität als die Kobaltsäurelithium. Die Konstruktionsflexibilität ermöglicht es den Ingenieuren, den größten Boden zu wählen, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern oder die Kapazität des maximalen Laststroms (Leistung) oder (mehr als) zu erhöhen. Beispielsweise beträgt die lange Lebensdauer der Batterieversion von 18650 nur eine mäßige Kapazität von 1100 mAh. Hochleistungsversion 1500mAh. Diese Funktionsparameter scheinen nicht ideal zu sein, aber das neue Design in Bezug auf Leistung, Sicherheit und Lebensdauer hat sich verbessert. Lithium-Manganat-Batterien sind heutzutage nicht mehr üblich. Sie werden nur in besonderen Fällen verwendet.

Trotz der Gesamtleistung kann ein neues Design die Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit von Mangansäurelithium verbessern.

Das meiste Lithiummanganat wird mit lithium-nickel-mangan-kobaltoxid (NMC) gemischt, um die spezifische Energie zu erhöhen und die Lebensdauer zu verlängern. Diese Kombination bietet die beste Leistung jedes Systems, und die meisten Elektrofahrzeuge wie der Nissan Leaf, der Chevrolet Volt und der BMW i3 verwenden LMO (NMC). Der LMO-Teil der Batterie kann ungefähr 30% erreichen, was während der Beschleunigung einen höheren Strom liefern kann; Der NMC-Teil bietet eine große Reichweite. Die Forschung an Lithium-Ionen-Batterien kombiniert tendenziell Lithium-Manganat mit Kobalt, Nickel, Mangan und / oder Aluminium als aktivem Kathodenmaterial. In einigen Architekturen wird der Anode eine kleine Menge Silizium hinzugefügt. Dies führt zu einer Kapazitätssteigerung von 25%. Silizium dehnt sich jedoch aus und zieht sich mit Ladung und Entladung zusammen, was zu mechanischer Beanspruchung führt, die häufig eng mit der kurzen Lebensdauer verbunden ist. Diese drei aktiven Metalle und die Siliziumverstärkung können bequem ausgewählt werden, um die spezifische Energie (Kapazität), die spezifische Leistung (Lastkapazität) oder die Lebensdauer zu erhöhen. Verbraucherbatterien erfordern eine große Kapazität, während industrielle Anwendungen Batteriesysteme erfordern, eine gute Ladekapazität und eine lange Lebensdauer aufweisen und einen sicheren und zuverlässigen Service bieten.

Nickel-Kobalt-Mangan-Säure-Lithium (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, steht jedoch ein kontinuierlicher Entladestrom von 20 A zur Verfügung. 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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