Arten von Lithium-Ionen-lifepo4-Batterie -optimumnano

- Aug 05, 2017-

Lernen Sie die vielen verschiedenen Arten von Lithium-Ionen-Batterien kennen .

Lithium-Ion ist für seine aktiven Materialien benannt; die Wörter sind entweder vollständig geschrieben oder durch ihre chemischen Symbole verkürzt. Eine Reihe von Buchstaben und Zahlen, die aneinandergereiht sind, kann schwer zu merken und noch schwerer auszusprechen sein, und Batteriechemien werden auch in abgekürzten Buchstaben identifiziert.

Zum Beispiel hat Lithium-Cobalt-Oxid, eines der häufigsten Li-Ionen, die chemischen Symbole LiCoO 2 und die Abkürzung LCO. Aus Gründen der Einfachheit kann für diese Batterie auch die Kurzform Li-Cobalt verwendet werden. Kobalt ist das hauptsächliche aktive Material, das diesem Batteriecharakter verleiht. Andere Li-Ionen-Chemien erhalten ähnliche Kurzformnamen. Dieser Abschnitt listet sechs der häufigsten Li-Ionen auf. Alle Messwerte sind Durchschnittsschätzwerte zum Zeitpunkt des Schreibens.

Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO 2 )

Seine hohe spezifische Energie macht Li-Cobalt zur beliebten Wahl für Mobiltelefone, Laptops und Digitalkameras. Die Batterie besteht aus einer Kobaltoxid-Kathode und einer Graphit-Kohlenstoff-Anode. Die Kathode hat eine geschichtete Struktur und während der Entladung bewegen sich Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Der Fluss kehrt sich beim Laden um. Der Nachteil von Li-Kobalt ist eine relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Belastbarkeit (spezifische Leistung). Abbildung 1 zeigt die Struktur.

Li-Kobalt Struktur

Abbildung 1 : Li-Kobalt-Struktur.
Die Kathode hat eine geschichtete Struktur. Während der Entladung bewegen sich die Lithiumionen von der Anode zur Kathode; Bei der Aufladung ist die Strömung von der Kathode zur Anode.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Der Nachteil von Li-Kobalt ist eine relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Belastbarkeit (spezifische Leistung). Wie andere Kobalt-gemischte Li-Ionen hat Li-Kobalt eine Graphitanode, die die Zykluslebensdauer durch eine wechselnde Festelektrolytgrenzfläche (SEI), Verdickung an der Anode und Lithiumplattierung während schneller Aufladung und Aufladung bei niedriger Temperatur begrenzt. Neuere Systeme umfassen Nickel, Mangan und / oder Aluminium, um die Langlebigkeit, Belastbarkeit und Kosten zu verbessern.

Li-Cobalt sollte bei einer Stromstärke, die höher als seine C-Klasse ist, nicht geladen und entladen werden. Dies bedeutet, dass eine 18650-Zelle mit 2.400 mAh nur bei 2.400 mA aufgeladen und entladen werden kann. Das Erzwingen einer Schnellladung oder das Anlegen einer Last von mehr als 2400 mA führt zu Überhitzung und übermäßiger Belastung. Für eine optimale Schnellladung empfiehlt der Hersteller eine C-Rate von 0,8 C oder etwa 2000 mA. (Siehe BU-402: Was ist C-Rate). Die obligatorische Batterieschutzschaltung begrenzt die Lade- und Entladerate auf ein sicheres Niveau von etwa 1C für die Energiezelle.

Die hexagonale Spinnengrafik (Abbildung 2) fasst die Leistung von Li-Cobalt in Bezug auf die spezifische Energie oder Kapazität zusammen, die sich auf die Laufzeit bezieht; spezifische Leistung oder die Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern; Sicherheit; Leistung bei heißen und kalten Temperaturen; Lebensdauer, die das Zyklusleben und die Langlebigkeit widerspiegelt; und Kosten . Andere interessierende Merkmale, die in den Spinnennetzen nicht gezeigt werden, sind Toxizität, Schnellladungsfähigkeit, Selbstentladung und Haltbarkeit. (Siehe BU-104c: Die Octagon-Batterie - Was macht eine Batterie zu einer Batterie?)

Das Li-Kobalt verliert aufgrund der hohen Kobaltkosten und der verbesserten Leistung durch Mischen mit anderen aktiven Kathodenmaterialien zugunsten von Li-Mangan, insbesondere aber von NMC und NCA an Beliebtheit. (Siehe Beschreibung der NMC und NCA weiter unten.)

Schnappschuss einer durchschnittlichen Li-Kobalt-Batterie

Abbildung 2 : Schnappschuss einer durchschnittlichen Li-Cobalt-Batterie.
Li-Kobalt zeichnet sich durch eine hohe spezifische Energie aus, bietet jedoch nur eine mäßige leistungsspezifische Leistung, Sicherheit und Lebensdauer.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Übersichtstabelle

Lithium-Cobaltoxid : LiCoO 2 -Kathode (~ 60% Co), Graphitanode
Kurzform: LCO oder Li-Cobalt. Seit 1991
Spannungen 3,60 V nominal; typischer Betriebsbereich 3,0-4,2V / Zelle
Spezifische Energie (Kapazität) 150-200 Wh / kg. Spezialzellen liefern bis zu 240 Wh / kg.
Ladung (C-Rate) 0,7-1C, Ladungen bis 4,20 V (die meisten Zellen); 3h Ladung typisch. Ladestrom über 1C verkürzt die Batterielebensdauer.
Entladung (C-Rate) 1C; 2.50V abgeschnitten. Entladestrom über 1C verkürzt die Batterielebensdauer.
Lebensdauer 500-1000, bezogen auf Entladetiefe, Last, Temperatur
Thermische Ausreißer 150 ° C (302 ° F). Volle Ladung fördert thermisches Durchgehen
Anwendungen Mobiltelefone, Tablets, Laptops, Kameras
Bemerkungen Sehr hohe spezifische Energie, begrenzte spezifische Leistung. Kobalt ist teuer. Dient als Energiezelle. Der Marktanteil hat sich stabilisiert.

Tabelle 3: Eigenschaften von Lithiumcobaltoxid

Lithiummanganoxid (LiMn 2 O 4 )

Li-Ion mit Mangan-Spinell wurde 1983 erstmals im Bulletin der Materialforschung veröffentlicht. 1996 vermarktete Moli Energy eine Lithium-Ionen-Zelle mit Lithium-Mangan-Oxid als Kathodenmaterial. Die Architektur bildet eine dreidimensionale Spinellstruktur, die den Ionenfluss auf der Elektrode verbessert, was zu einem niedrigeren Innenwiderstand und einer verbesserten Stromhandhabung führt. Ein weiterer Vorteil von Spinell ist eine hohe thermische Stabilität und erhöhte Sicherheit, aber die Zyklus- und Kalenderlebensdauer sind begrenzt.

Der niedrige interne Zellenwiderstand ermöglicht ein schnelles Laden und eine Hochstromentladung. In einer 18650-Packung kann Li-Mangan bei Strömen von 20-30A mit mäßiger Wärmeentwicklung entladen werden. Es ist auch möglich, Ein-Sekunden-Lastimpulse von bis zu 50A anzuwenden. Eine andauernde hohe Last bei diesem Strom würde Wärmeentwicklung verursachen und die Zellentemperatur darf 80 ° C (176 ° F) nicht überschreiten. Li-Mangan wird für Elektrowerkzeuge, medizinische Instrumente sowie Hybrid- und Elektrofahrzeuge verwendet.

Fig. 4 veranschaulicht die Bildung eines dreidimensionalen kristallinen Gerüsts auf der Kathode einer Li-Mangan-Batterie. Diese Spinellstruktur, die gewöhnlich aus zu einem Gitter verbundenen Diamantformen besteht, erscheint nach der anfänglichen Bildung.

Li-Mangan-Struktur

Abbildung 4: Li-Mangan-Struktur.
Die kathodenkristalline Bildung von Lithiummanganoxid hat eine dreidimensionale Gerüststruktur, die nach der anfänglichen Bildung erscheint. Spinell bietet einen niedrigen Widerstand, hat jedoch eine geringere spezifische Energie als Cobalt.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Li-Mangan hat eine Kapazität, die etwa ein Drittel niedriger ist als Li-Cobalt. Die Designflexibilität ermöglicht es den Ingenieuren, die Batterie für eine optimale Lebensdauer (Lebensdauer), einen maximalen Laststrom (spezifische Leistung) oder eine hohe Kapazität (spezifische Energie) zu maximieren. Zum Beispiel hat die langlebige Version in der 18650-Zelle eine moderate Kapazität von nur 1.100 mAh; die Hochleistungsversion ist 1.500mAh.

Abbildung 5 zeigt das Spinnennetz einer typischen Li-Mangan-Batterie. Die Eigenschaften erscheinen marginal, aber neuere Designs haben sich in Bezug auf spezifische Leistung, Sicherheit und Lebensdauer verbessert. Reine Li-Mangan-Batterien sind heute nicht mehr üblich; Sie dürfen nur für spezielle Anwendungen verwendet werden.

Schnappschuss einer typischen Li-Mangan-Batterie

Abbildung 5: Schnappschuss einer reinen Li-Mangan-Batterie.
Obwohl sie in der Gesamtleistung mäßig sind, bieten neuere Li-Mangan-Designs Verbesserungen in der spezifischen Leistung, Sicherheit und Lebensdauer.
Quelle: Boston Consulting Group


Die meisten Li-Mangan-Batterien werden mit Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC) gemischt, um die spezifische Energie zu verbessern und die Lebensdauer zu verlängern. Diese Kombination bringt das Beste in jedem System hervor, und der LMO (NMC) wird für die meisten Elektrofahrzeuge wie den Nissan Leaf, den Chevy Volt und den BMW i3 gewählt. Der LMO-Teil der Batterie, der etwa 30 Prozent betragen kann, sorgt für eine hohe Stromverstärkung bei der Beschleunigung; Der NMC-Teil gibt die lange Fahrreichweite an.

Bei der Li-Ionen-Forschung geht es stark darum, Li-Mangan mit Kobalt, Nickel, Mangan und / oder Aluminium als aktives Kathodenmaterial zu kombinieren. In einigen Architekturen wird eine kleine Menge an Silizium zu der Anode hinzugefügt. Dies bietet eine 25-prozentige Kapazitätssteigerung; Die Verstärkung ist jedoch üblicherweise mit einer kürzeren Zykluslebensdauer verbunden, da Silizium mit Ladung und Entladung wächst und schrumpft, was eine mechanische Belastung verursacht.

Diese drei aktiven Metalle sowie die Siliziumverstärkung können bequem ausgewählt werden, um die spezifische Energie (Kapazität), die spezifische Leistung (Belastbarkeit) oder die Langlebigkeit zu verbessern. Während Verbraucherbatterien für eine hohe Kapazität sorgen, erfordern industrielle Anwendungen Batteriesysteme, die eine gute Belastbarkeit aufweisen, eine lange Lebensdauer bieten und einen sicheren und zuverlässigen Service bieten.

Übersichtstabelle

Lithiummanganoxid: LiMn 2 O 4 -Kathode. Graphitanode
Kurzform: LMO oder Li-Mangan (Spinellstruktur) Seit 1996
Spannungen 3,70 V (3,80 V) nominal; typischer Betriebsbereich 3,0-4,2V / Zelle
Spezifische Energie (Kapazität) 100-150 Wh / kg
Ladung (C-Rate) Typischerweise 0,7-1C, maximal 3C, Ladungen bis 4,20V (die meisten Zellen)
Entladung (C-Rate) 1C; 10C möglich mit einigen Zellen, 30C Puls (5s), 2,50V Cut-off
Lebensdauer 300-700 (bezogen auf Entladetiefe, Temperatur)
Thermische Ausreißer 250 ° C (482 ° F) typisch. Hohe Ladung fördert thermisches Durchgehen
Anwendungen Elektrowerkzeuge, medizinische Geräte, elektrische Antriebe
Bemerkungen Hohe Leistung aber weniger Kapazität; sicherer als Li-Kobalt; häufig mit NMC gemischt, um die Leistung zu verbessern.

Tabelle 6: Eigenschaften von Lithium-Mangan-Oxid

Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid ( LiNiMnCoO 2 oder NMC )

Eines der erfolgreichsten Li-Ionen-Systeme ist eine Kathodenkombination aus Nickel-Mangan-Cobalt (NMC). Ähnlich wie Li-Mangan können diese Systeme maßgeschneidert werden, um als Energiezellen oder Energiezellen zu dienen. Beispielsweise hat NMC in einer 18650-Zelle für eine moderate Lastbedingung eine Kapazität von ungefähr 2.800 mAh und kann 4A bis 5A liefern; NMC in der gleichen Zelle, die für eine bestimmte Leistung optimiert ist, hat eine Kapazität von nur etwa 2000 mAh, liefert jedoch einen kontinuierlichen Entladestrom von 20 A. Eine auf Silizium basierende Anode wird auf 4.000 mAh und höher gehen, jedoch bei reduzierter Ladekapazität und kürzerer Zykluslebensdauer. Dem Graphit zugegebenes Silizium hat den Nachteil, dass die Anode mit Ladung und Entladung wächst und schrumpft, wodurch die Zelle mechanisch instabil wird.

Das Geheimnis von NMC liegt in der Kombination von Nickel und Mangan. Eine Analogie dazu ist Kochsalz, bei dem die Hauptzutaten Natrium und Chlorid für sich genommen toxisch sind, aber sie als Salz und Speisewasser zu mischen dienen. Nickel ist bekannt für seine hohe spezifische Energie aber schlechte Stabilität; Mangan hat den Vorteil, eine Spinellstruktur zu bilden, um einen niedrigen inneren Widerstand zu erreichen, bietet jedoch eine niedrige spezifische Energie. Die Kombination der Metalle verstärkt sich gegenseitig.

NMC ist die erste Wahl für Elektrowerkzeuge, E-Bikes und andere elektrische Antriebe. Die Kathodenkombination ist typischerweise ein Drittel Nickel, ein Drittel Mangan und ein 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 mit 5 Teilen Nickel, 3 Teilen Kobalt und 2 Teilen Mangan (5-3-2). Andere Kombinationen unter Verwendung verschiedener Mengen von Kathodenmaterialien sind möglich.

Batteriehersteller bewegen sich wegen der hohen Kobaltkosten von Kobaltsystemen zu Nickelkathoden. Nickelbasierte Systeme haben eine höhere Energiedichte, niedrigere Kosten und eine längere Zykluslebensdauer als die Kobalt-basierten Zellen, aber sie haben eine etwas niedrigere Spannung.

Neue Elektrolyte und Additive ermöglichen eine Aufladung auf 4,4 V / Zelle und höher, um die Kapazität zu erhöhen. Abbildung 7 zeigt die Eigenschaften der NMC.

Snapshot von NMC

Abbildung 7: Snapshot von NMC.
NMC hat eine gute Gesamtleistung und zeichnet sich durch spezifische Energie aus. Diese Batterie ist der bevorzugte Kandidat für das Elektrofahrzeug und hat die niedrigste Selbsterwärmungsrate.
Quelle: Boston Consulting Group


Es gibt eine Bewegung hin zum NMC-gemischten Li-Ion, da das System wirtschaftlich gebaut werden kann und eine gute Leistung erzielt. Die drei aktiven Materialien Nickel, Mangan und Kobalt können leicht gemischt werden, um ein breites Spektrum von Anwendungen für Automobil- und Energiespeichersysteme (EES) zu erfüllen, die häufiges Radfahren erfordern. Die NMC-Familie wächst in ihrer Vielfalt.

Übersichtstabelle

Lithium-Nickel-Mangankobaltoxid: LiNiMnCoO 2 . Kathode, Graphitanode
Kurzform: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN ähnlich mit verschiedenen Metallkombinationen) Seit 2008
Spannungen 3,60 V, 3,70 V nominal; typischer Betriebsbereich 3,0-4,2 V / Zelle oder höher
Spezifische Energie (Kapazität) 150-220 Wh / kg
Ladung (C-Rate) 0,7-1C, Ladungen bis 4,20V, einige gehen auf 4,30V; 3h Ladung typisch. Ladestrom über 1C verkürzt die Batterielebensdauer.
Entladung (C-Rate) 1C; 2C auf einigen Zellen möglich; 2,50 V Abschaltung
Lebensdauer 1000-2000 (bezogen auf Entladetiefe, Temperatur)
Thermische Ausreißer 210 ° C (410 ° F) typisch. Hohe Ladung fördert thermisches Durchgehen
Anwendungen E-Bikes, medizinische Geräte, EVs, industrielle
Bemerkungen Bietet hohe Kapazität und hohe Leistung. Dient als Hybridzelle. Lieblingschemie für viele Anwendungen; Marktanteil nimmt zu.

Tabelle 8: Eigenschaften von Lithiumnickel-Mangankobaltoxid (NMC ).

Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO 4 )

Im Jahr 1996 entdeckte die Universität von Texas (und andere Mitwirkende) Phosphat als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithiumbatterien. Li-Phosphat bietet eine gute elektrochemische Leistung bei geringem Widerstand. Dies wird mit nanoskaligem Phosphat-Kathodenmaterial ermöglicht. Die Hauptvorteile sind hohe Strombelastbarkeit und lange Zykluslebensdauer, neben guter thermischer Stabilität, erhöhter Sicherheit und Toleranz bei Missbrauch.

Li-Phosphat ist gegenüber Vollladungsbedingungen toleranter und weniger beansprucht als andere Lithium-Ionen-Systeme, wenn es längere Zeit auf Hochspannung gehalten wird. (Siehe BU-808: Lithiumbatterien verlängern). Als Kompromiss reduziert die niedrigere Nennspannung von 3,2 V / Zelle die spezifische Energie unter der von Kobalt-gemischtem Lithium-Ion. Bei den meisten Batterien reduziert die kalte Temperatur die Leistung und erhöhte Lagertemperaturen verkürzen die Lebensdauer, und Li-Phosphat ist keine Ausnahme. Li-Phosphat hat eine höhere Selbstentladung als andere Li-Ionen-Batterien, was Probleme beim Ausgleichen verursachen kann. Dies kann durch den Kauf qualitativ hochwertiger Zellen und / oder die Verwendung einer hochentwickelten Steuerelektronik gemildert werden, die beide die Kosten der Packung erhöhen. Sauberkeit in der Fertigung ist für die Langlebigkeit von Bedeutung. Es gibt keine Toleranz gegenüber Feuchtigkeit, damit die Batterie nur 50 Zyklen liefert. Fig. 9 fasst die Eigenschaften von Li-Phosphat zusammen.

Li-Phosphat wird häufig verwendet, um die Blei-Säure-Starterbatterie zu ersetzen. Vier Zellen in Serie erzeugen 12,80 V, eine ähnliche Spannung wie sechs 2V Bleisäurezellen in Serie. Fahrzeuge laden Bleisäure auf 14,40 V (2,40 V / Zelle) und behalten eine Beladung bei. Mit vier Li-Phosphat-Zellen in Reihe übersteigt jede Zelle bei 3,60 V, was die korrekte Vollladespannung ist. An diesem Punkt sollte die Ladung getrennt werden, aber die Spitzenladung wird während der Fahrt fortgesetzt. Li-Phosphat ist gegen etwas Überladung tolerant; Wenn man jedoch die Spannung für längere Zeit bei 14,40 V hält, wie es die meisten Fahrzeuge bei einer langen Fahrt tun, könnte man Li-Phosphat belasten. Kaltstartbetrieb könnte auch ein Problem mit Li-Phosphat als Starterbatterie sein.

Schnappschuss einer typischen Li-Phosphat-Batterie

Abbildung 9: Schnappschuss einer typischen Li-Phosphat-Batterie.
Li-Phosphat hat eine ausgezeichnete Sicherheit und eine lange Lebensdauer, aber eine moderate spezifische Energie und eine erhöhte Selbstentladung.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Übersichtstabelle

Lithium-Eisen-Phosphat: LiFePO 4 -Kathode, Graphitanode
Kurzform: LFP oder Li-Phosphat seit 1996
Spannungen 3,20, 3,30 V nominal; typischer Betriebsbereich 2.5-3.65V / Zelle
Spezifische Energie (Kapazität) 90-120 Wh / kg
Ladung (C-Rate) Typisch 1C, lädt zu 3.65V auf; 3h Ladezeit typisch
Entladung (C-Rate) 1C, 25C auf einigen Zellen; 40A Impuls (2s); 2.50V Cut-Off (niedriger als 2V verursacht Schäden)
Lebensdauer 1000-2000 (bezogen auf Entladetiefe, Temperatur)
Thermische Ausreißer 270 ° C (518 ° F) Sehr sichere Batterie auch bei voller Ladung
Anwendungen Tragbar und stationär mit hohen Lastströmen und Ausdauer
Bemerkungen Sehr flache Spannungsentladungskurve, aber niedrige Kapazität. Einer der sichersten
Li-Ionen. Wird für spezielle Märkte verwendet. Erhöhte Selbstentladung.

Tabelle 10: Eigenschaften von Lithiumeisenphosphat.

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (LiNiCoAlO 2 )

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Batterie oder NCA gibt es seit 1999 für spezielle Anwendungen. Es hat Ähnlichkeiten mit NMC, da es eine hohe spezifische Energie, eine relativ gute spezifische Leistung und eine lange Lebensdauer bietet. Weniger schmeichelhaft sind Sicherheit und Kosten. Abbildung 11 fasst die sechs wichtigsten Merkmale zusammen. NCA ist eine Weiterentwicklung von Lithium-Nickeloxid; Durch Zugabe von Aluminium erhält die Chemie eine höhere Stabilität.

Snapshot von NCA

Abbildung 11: Snapshot der NCA.
Hohe Energie- und Leistungsdichten sowie eine gute Lebensdauer machen NCA zu einem Kandidaten für Elektrofahrzeuge. Hohe Kosten und Grenzsicherheit sind negativ.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Übersichtstabelle

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid: LiNiCoAlO 2 -Kathode (~ 9% Co), Graphitanode
Kurzform: NCA oder Li-Aluminium. Seit 1999
Spannungen 3,60 V nominal; typischer Betriebsbereich 3,0-4,2V / Zelle
Spezifische Energie (Kapazität) 200-260 Wh / kg; 300Wh / kg vorhersagbar
Ladung (C-Rate) 0,7C, Ladungen bis 4,20V (die meisten Zellen), 3h Ladung typisch, schnelle Ladung mit einigen Zellen möglich
Entladung (C-Rate) 1C typisch; 3,00 V Abschaltung; hohe Entladungsrate verkürzt die Batterielebensdauer
Lebensdauer 500 (bezogen auf Entladetiefe, Temperatur)
Thermische Ausreißer 150 ° C (302 ° F) typisch, hohe Ladung fördert thermisches Durchgehen
Anwendungen Medizinische Geräte, industriell, elektrischer Antriebsstrang (Tesla)
Bemerkungen Ähnlichkeiten mit Li-Cobalt. Dient als Energiezelle.

Tabelle 12: Eigenschaften von Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid

Lithiumtitanat (Li 4 Ti 5 O 12 )

Batterien mit Lithiumtitanatanoden sind seit den 1980er Jahren bekannt. Li-Titanat ersetzt den Graphit in der Anode einer typischen Lithiumionenbatterie und das Material bildet eine Spinellstruktur. Die Kathode kann Lithiummanganoxid oder NMC sein. Li-Titanat hat eine Nennzellenspannung von 2,40 V, kann schnell geladen werden und liefert einen hohen Entladestrom von 10 ° C oder das 10-fache der Nennkapazität. Die Zykluszahl soll höher sein als die eines normalen Li-Ions. Li-Titanat ist sicher, hat ausgezeichnete Tieftemperaturentladungseigenschaften und erreicht bei -30 ° C (-22 ° F) eine Kapazität von 80 Prozent.

LTO (üblicherweise Li 4 Ti 5 O 12 ) hat Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Kobalt-gemischten Li-Ion mit Graphitanode durch Erzielen einer Null-Dehnungseigenschaft, keine SEI-Filmbildung und keine Lithiumplattierung beim schnellen Laden und Laden bei niedriger Temperatur. Die thermische Stabilität bei hoher Temperatur ist auch besser als bei anderen Li-Ionen-Systemen; Die Batterie ist jedoch teuer. Mit nur 65 Wh / kg ist die spezifische Energie niedrig und konkurriert mit NiCd. Li-Titanat lädt sich auf 2,80 V / Zelle auf und das Ende der Entladung beträgt 1,80 V / Zelle. Fig. 13 veranschaulicht die Eigenschaften der Li-Titanatbatterie. Typische Anwendungen sind elektrische Antriebe, USV und solarbetriebene Straßenbeleuchtung.

Schnappschuss von Li-Titanat

Abbildung 13: Schnappschuss von Titanat.
Li-Titanat zeichnet sich durch Sicherheit, Tieftemperaturverhalten und Lebensdauer aus. Es werden Anstrengungen unternommen, um die spezifische Energie zu verbessern und die Kosten zu senken.
Quelle: Boston Consulting Group

Übersichtstabelle

Lithium-Titanat: Kann Lithium-Mangan-Oxid oder NMC sein; Li 4 Ti 5 O 12 (Titanat) Anode
Kurzform: LTO oder Li-Titanat Im Handel erhältlich seit etwa 2008.
Spannungen 2,40 V nominal; typischer Arbeitsbereich 1.8-2.85V / Zelle
Spezifische Energie (Kapazität) 70-80 Wh / kg
Ladung (C-Rate) 1C typisch; Maximal 5C, Gebühren bis 2.85V
Entladung (C-Rate) 10C möglich, Impuls 30C 5s; 1,80 V Abschaltung bei LCO / LTO
Lebensdauer 3.000-7.000
Thermische Ausreißer Eine der sichersten Li-Ion-Batterien
Anwendungen USV, elektrischer Antriebsstrang (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV),
Solarbetriebene Straßenbeleuchtung
Bemerkungen Lange Lebensdauer, Schnellladung, großer Temperaturbereich, geringe spezifische Energie und teuer. Unter den sichersten Li-Ion-Batterien.

Tabelle 14: Eigenschaften von Lithiumtitanat.

Abbildung 15 vergleicht die spezifische Energie von Systemen auf Blei-, Nickel- und Lithiumbasis. Während Li-Aluminium (NCA) der klare Gewinner ist, indem es mehr Kapazität als andere Systeme speichert, gilt dies nur für spezifische Energie. In Bezug auf die spezifische Leistung und thermische Stabilität sind Li-Mangan (LMO) und Li-Phosphat (LFP) überlegen. Li-Titanat (LTO) kann eine niedrige Kapazität haben, aber diese Chemie überlebt die meisten anderen Batterien in Bezug auf die Lebensdauer und hat auch die beste Leistung bei kalten Temperaturen. Auf dem Weg zum elektrischen Antriebsstrang werden die Sicherheits- und Zykluslebensdauer dominieren. (LCO steht für Li-Cobalt, das ursprüngliche Li-Ion.)

Batteriechemie

Abbildung 15: Typische spezifische Energie von Blei-, Nickel- und Lithium-basierten Batterien.
NCA genießt die höchste spezifische Energie; Mangan und Phosphat sind jedoch in Bezug auf spezifische Leistung und thermische Stabilität überlegen. Li-Titanat hat die beste Lebensdauer.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex