Sei tipi comuni di batterie al litio e i loro principali parametri di prestazione

Spesso parliamo di batterie al litio ternarie o batterie al litio ferro, che prendono il nome da batterie al litio in onore di materiali attivi al catodo.Questo documento riassume i sei tipi comuni di batterie al litio e i loro principali parametri di prestazioneCome tutti sappiamo, la stessa strada tecnica della cella, i parametri specifici non sono esattamente gli stessi, questo documento mostra il livello generale dei parametri attuali.Le sei batterie al litio includono: ossido di cobalto di litio (LiCoO2), manganato di manganese di litio (LiMn2O4), manganato di nichel-cobalto di litio (LiNiMnCoO2 o NMC), aluminato di nichel-cobalto di litio (LiNiCoAlO2 o NCA),fosfato di ferro di litio (LiFePO4) e titanato di litio (Li4Ti5O12).

L'ossido di cobalto di litio (LiCoO2) La sua elevata energia specifica rende l'ossido di cobalto di litio una scelta popolare per telefoni cellulari, computer portatili e fotocamere digitali.La batteria è costituita da un catodo di ossido di cobalto e da un anodo di grafite e carbonioIl catodo ha una struttura a strati, durante la quale gli ioni di litio si muovono dall'anodo al catodo e il processo di carica scorre nella direzione opposta.Durante lo scarico, gli ioni di litio si muovono dall'anodo all'anodo; il flusso dal catodo all'anodo durante la ricarica.bassa stabilità termica e capacità di carico limitata (potenza specifica)Come altre batterie ibride agli ioni di litio al cobalto, l'ossido di litio al cobalto utilizza un anodo di grafite e la sua durata di ciclo è limitata principalmente dall'interfaccia elettrolita solida (SEI),si riflette principalmente nel graduale ispessimento della pellicola SEI, e l'anodo di rivestimento in litio nel processo di ricarica rapida o processo di ricarica a bassa temperatura.capacità di carico e ridurre i costiL'ossido di litio e di cobalto non deve essere caricato e scaricato a una corrente superiore alla capacità.400 mAh possono essere caricati e scaricati solo a una velocità inferiore o uguale a 2Per una ricarica rapida ottimale, il produttore raccomanda un moltiplicatore di carica pari a 0.8C o circa 2Il circuito di protezione della batteria limita le velocità di ricarica e scarica dell'unità di energia a un livello di sicurezza di circa 1C.

La batteria al litio manganato (LiMn2O4) è stata pubblicata per la prima volta nel 1983. Nel 1996, Moli Energy ha commercializzato batterie agli ioni di litio con ossido di litio manganese come materiale catodico.L'architettura forma una struttura spinellare tridimensionale che migliora il flusso di ioni sull'elettrodo e, riducendo così la resistenza interna e migliorando la capacità di carico della corrente.ma una durata ciclica e di calendario limitata. La bassa resistenza interna della batteria consente una ricarica rapida e una scarica di corrente elevata.con accumulo di calore moderatoL'impulso di carico può essere applicato fino a 50A1 secondi.Il manganato di litio è utilizzato in utensili elettriciIl manganato di litio è circa un terzo meno potente dell'ossido di cobalto di litio.La flessibilità della progettazione consente agli ingegneri di scegliere di massimizzare la durata della batteria, o per aumentare la corrente di carico massima (potenza specifica) o la capacità (energia specifica).la versione ad alta capacità ha 1500 mAh.

La maggior parte dell'ossido di litio-manganese è miscelato con l'ossido di litio-nickel-manganese-cobalto (NMC) per aumentare l'energia specifica e prolungare la vita.e la maggior parte dei veicoli elettrici, come la Nissan Leaf, la Chevrolet Volt e la BMW i3, hanno la LMO (NMC). La parte LMO della batteria può raggiungere circa il 30%, che può fornire una corrente elevata durante l'accelerazione;e la parte NMC fornisce un lungo raggioGli studi sulle batterie agli ioni di litio tendono a combinare l'ossido di litio manganese con cobalto, nichel, manganese e/o alluminio come materiali attivi dei catodi.una piccola quantità di silicio viene aggiunta all'anodoCiò fornisce un aumento della capacità del 25%; tuttavia, il silicio si espande e si contrae con la carica e la scarica, causando uno stress meccanico.e l'aumento della capacità è spesso strettamente associato a una breve durata del cicloQuesti tre metalli attivi e il miglioramento del silicio possono essere facilmente selezionati per migliorare l'energia specifica (capacità), la potenza specifica (capacità di carico) o la vita.,mentre le applicazioni industriali richiedono sistemi a batteria, con buona capacità di carico, lunga durata e servizi sicuri e affidabili.

Uno dei sistemi agli ioni di litio di litio-nickel-cobalto-manganeso-manganato (LiNiMnCoO2 o NMC) di maggior successo è la combinazione catodica di nichel-nickel-manganeso-cobalto (NMC).Simile al manganato di litio, il sistema può essere personalizzato come una batteria di energia o una batteria di potenza.800mAh e può fornire correnti di scarica da 4A a 5A■ lo stesso tipo di NMC è ottimizzato per una potenza specifica con una capacità di soli 2.000 mAh, ma può fornire una corrente di scarica continua di 20 A. L'anodo a base di silicio raggiungerà oltre 4000 mAh,ma la capacità di carico è ridotta e la durata del ciclo è ridottaIl silicio aggiunto alla grafite ha un difetto, cioè l'anodo si espande e si contrae con la ricarica e la scarica, rendendo instabile la grande struttura meccanica della batteria.Il segreto dell' NMC è la combinazione di nichel e manganeseCome questo è il sale da tavola, dove gli ingredienti principali di sodio e cloruro sono essi stessi tossici, ma sono mescolati come sali aromatizzanti e conservanti alimentari.Il nichel è noto per la sua elevata energia specifica, ma ha una scarsa stabilità; la struttura dello spinello di manganese raggiunge una bassa resistenza interna ma una bassa energia specifica.La NMC è la batteria preferita per gli utensili elettriciLe combinazioni catodiche sono di solito un terzo di nichel, un terzo di manganese e un terzo di cobalto, noto anche come 1-1-1.Ciò fornisce una miscela unica che riduce anche i costi delle materie prime a causa del ridotto contenuto di cobaltoUn'altra combinazione di successo è stata la NCM, che conteneva 5 parti di nichel, 3 parti di cobalto e 2 parti di manganese (5 ¢ 3-2).Possono essere utilizzate anche altre combinazioni di diverse quantità di materiali catodiciA causa dell'alto costo del cobalto, i produttori di batterie hanno cambiato da cobalto a catodo di nichel.e una durata di ciclo più lunga rispetto alle batterie a base di cobalto, ma hanno tensioni leggermente inferiori.

Fosfato di ferro di litio (LiFePO 4) Nel 1996, l'Università del Texas ha scoperto che il fosfato poteva essere utilizzato come materiale catodico per batterie di litio ricaricabili.Il fosfato di litio ha buone proprietà elettrochimiche e una bassa resistenzaI principali vantaggi sono l'elevata corrente nominale e la lunga durata del ciclo; buona stabilità termica, maggiore sicurezza e tolleranza agli abusi.Se mantenuto ad alta tensione per lunghi periodiL'inconveniente è che il fosfato di litio è più tollerante a tutte le condizioni di ricarica ed è meno stressato di altri sistemi agli ioni di litio.La tensione nominale della batteria da 2 V rende l'energia specifica inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio dopate al cobaltoPer la maggior parte delle batterie, le basse temperature riducono le prestazioni, l'aumento delle temperature di stoccaggio accorcia la durata di vita e il fosfato di litio non fa eccezione.Il fosfato di litio ha una auto-discarica più elevata rispetto ad altre batterie agli ioni di litio, che possono causare problemi di invecchiamento e di bilanciamento ulteriori, che possono essere compensati con l'uso di batterie di alta qualità o con l'uso di sistemi avanzati di gestione delle batterie,ma entrambi i metodi aumentano il costo della batteriaLa durata della batteria è molto sensibile alle impurità nel processo di produzione e non può resistere al doping dell'acqua.alcune batterie hanno una durata minima di soli 50 cicliLa figura 9 riassume le proprietà del fosfato di litio. Il fosfato di litio è comunemente utilizzato al posto delle batterie di avvio a piombo-acido.con una tensione simile a quella delle sei celle a piombo 2V in serieIl veicolo carica l'acido al piombo nella batteria da 14,40 V (2,40 V/batteria) e rimane carico galleggiante.Lo scopo della carica galleggiante è quello di mantenere il livello di carica completo e prevenire la solfatazione delle batterie al piombo-acido..

Le batterie al aluminato di nichel-litio-cobalto (LiNiCoAlO2 o NCA) sono state utilizzate dal 1999 e hanno un'elevata energia specifica.Potenza specifica abbastanza buona e lunga durata di vita è simile alla NMCMeno lusinghieri sono la sicurezza e il costo.

Titanato di litio (Li4Ti5O12) Le batterie ad anodo di titanato di litio sono note dagli anni '80. Il titanato di litio sostituisce la grafite nell'anodo di una tipica batteria agli ioni di litio.e il materiale forma una struttura spinellareIl catodo può essere di manganato di litio o NMC. Il titanato di litio ha una tensione nominale della batteria di 2,40V, che può essere caricata rapidamente e fornisce una corrente di scarica elevata di 10C.Si dice che il numero di cicli sia superiore a quello delle batterie agli ioni di litio convenzionaliIl titanato di litio è sicuro e ha ottime proprietà di scarica a bassa temperatura, raggiungendo l'80% della capacità a -30°C (-22°F).nessuna formazione di membrana SEI e nessun fenomeno di elettroplatazione al litio durante la ricarica rapida e la ricarica a bassa temperatura, quindi ha le migliori prestazioni di carica-scarica rispetto all'anodo Li-ion e grafite tradizionale misto al cobalto.TuttaviaLe batterie sono molto costose, la loro energia specifica è bassa, solo 65Wh/kg, paragonabile a quella del NiCd.La figura 13 mostra le proprietà delle batterie al litio titanato. Gli usi tipici sono un sistema di trasmissione elettrico, UPS e luci solari.Il manganato di litio e il fosfato di ferro di litio forniscono una potenza specifica e una stabilità termica superioriIl titanato di litio ha la migliore durata.