Wie Mnay verschiedener Arten von Lithium-Ionen-gibt es?

- Jan 05, 2017-

Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2)

Seine hohe spezifische Energie macht Li-Kobalt die populäre Wahl für Handys, Laptops und Digitalkameras. Die Batterie besteht aus einer Kobalt-Oxid-Kathode und einer Anode Graphit Kohlenstoff. Die Kathode hat eine geschichtete Struktur und während der Entladung, Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode bewegen. Der Fluss kehrt auf Ladung. Der Nachteil von Li-Kobalt ist eine relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Belastung Fähigkeiten (spezifische Leistung). Abbildung 1 zeigt die Struktur.

Li-cobalt structure

Abbildung 1:Li-Kobalt-Struktur.
Die Kathode hat eine geschichtete Struktur. Während der Entladung bewegen die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode; gegen Gebühr ist der Fluss von Kathode zur Anode.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex

Der Nachteil von Li-Kobalt ist eine relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Belastung Fähigkeiten (spezifische Leistung). Li-Kobalt reift und neuere Systeme umfassen, Nickel, Mangan und/oder Aluminium, Langlebigkeit, Laden von Funktionen und Kosten zu verbessern.

Li-Kobalt sollte nicht aufgeladen und Entladen mit einem Strom höher als seine C-Rating. Dies bedeutet, dass eine 18650-Zelle mit 2, 400mAh kann nur aufgeladen werden und bei 2, 400mA entladen. Zwingt eine Schnellladung oder Belastung größer als 2, verursacht 400mA Überhitzung und unnötigen Stress. Für optimale Schnellladung empfiehlt der Hersteller eine C-Rate von 0,8 C oder ca. 2, 000mA. (SieheBU-402: Was ist C-Rate). Der obligatorische Akku-Schutzschaltung beschränkt die Ladung und Entladung Rate auf ein sicheres Niveau von ca. 1C für die Energiezelle.

Die sechseckige Spinne Grafik (Abbildung 2) fasst die Leistung des Li-Kobalt in Bezug aufspezifische Energieoder die Kapazität, die Common Language Runtime bezieht;spezifische Leistungoder die Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern;Sicherheit; Leistungbei heißen und kalten Temperaturen;Lebensdauerreflektierende Lebensdauer und Langlebigkeit; undKosten. Weitere Merkmale von Interesse, die nicht in die Spinnweben sind Toxizität, Schnellladen Funktionen, Selbstentladung und Haltbarkeit. (SieheBU - 104c: die Octagon-Batterie – was macht einer Batterie eine Batterie).

Snapshot of an average Li-cobalt battery

Abbildung 2:Momentaufnahme einer durchschnittlichen Li-Kobalt Batterie.
Li-Kobalt zeichnet sich durch hohe spezifische Energie, sondern bietet nur moderate Leistung spezifische Leistung, Sicherheit und Lebensdauer.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Zusammenfassende Tabelle

Lithium-Cobalt-Oxid:LiCoO2Kathode (~ 60 % Co), Graphit-Anode
Kurzform: LCO oder Li-Kobalt. Seit 1991
Spannungen3.60V nominal; typische operative Spektrum 3.0–4.2V/cell
Spezifische Energie (Kapazität)150 – 200Wh/kg. Spezielle Zellen bieten bis zu 240Wh/kg.
Kostenlos (C-Rate)0,7 – 1 C, Gebühren, 4,20V (die meisten Zellen); 3h kostenlos typisch. Ladestrom über 1C verkürzt die Lebensdauer der Batterie.
Entladung (C-Rate)1C; 2.50V abgeschnitten. Entladestrom über 1C verkürzt die Lebensdauer der Batterie.
Lebensdauer500-1000, im Zusammenhang mit Tiefe von Entlastung, Belastung, Temperatur
Thermischen Instabilität150° C (302° F). Voller Ladung fördert thermische Instabilität
AnwendungenHandys, Tablets, Notebooks, Kameras
KommentareSehr hohe spezifische Energie, spezifische Leistung begrenzt. Kobalt ist teuer. Dient als Energie-Cell.Market Anteil stabilisiert hat.

Tabelle 3: Eigenschaften von Lithium Kobaltoxid.

Lithium-Manganoxid (LiMn2O4)

Li-Ion mit Mangan-Spinell erschien erstmals derMaterial Research Bulletinim Jahr 1983. Im Jahr 1996 kommerzialisiert Moli Energie eine Lithium-Ionen-Zelle mit Lithium-Mangan-Oxid als Kathodenmaterial. Die Architektur bildet eine dreidimensionale Spinell-Struktur, die Ionen-Fluss auf der Elektrode führt zu geringeren Innenwiderstand und verbesserte Stromhandling verbessert. Ein weiterer Vorteil der Spinell ist hohe thermische Stabilität und Sicherheit, aber das Leben Zyklus und Kalender beschränken.

Niedrige interne Zellresistenz ermöglicht schnelles Laden und Hochstrom-Entladung. In einem 18650-Paket kann Li-Mangan bei Strömen von 20-30A mit mäßigen Wärmeentwicklung. Es ist auch möglich, eine Sekunde Last Impulse bis zu 50A anzuwenden. Eine hohe Dauerbelastung bei dieser Strom würde dazu führen, dass Wärmeentwicklung und die Zellentemperatur darf 80° C (176° F) nicht überschreiten. Li-Mangan dient für Elektrowerkzeuge, medizinische Instrumente, sowie Hybrid- und Elektrofahrzeuge.

Abbildung 4 zeigt die Bildung eines dreidimensionalen kristalline Rahmens auf der Kathode einer Li-Mangan-Batterie. Diese Spinell-Struktur, bestehend aus meist Rauten in ein Gitter verbunden ist, erscheint nach der Erstausbildung.

Li-manganese structure

Abbildung 4: Li-Mangan-Struktur.
Die Kathode kristalline Bildung von Lithium-Manganoxid hat eine dreidimensionale Rahmenkonstruktion, die nach der ersten Formation erscheint. Spinell bietet geringen Widerstand, sondern hat eine gemäßigtere spezifische Energie als Kobalt.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex

Li-Mangan hat eine Kapazität, die etwa ein Drittel niedriger als Li-Kobalt. Design-Flexibilität kann Ingenieure die Batterie für optimale Langlebigkeit (Lebensdauer), maximaler Laststrom (spezifische Leistung) oder hoher Kapazität (spezifische Energie) zu maximieren. Die Longlife Version in der 18650 Zelle hat beispielsweise eine moderate Kapazität von nur 1, 100mAh; die Hochleistungs-Version ist 1, 500mAh.

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

Snapshot of a typical Li-manganese battery

Abbildung 5: Snapshot einer reinen Li-Mangan-Batterie.
Obwohl moderat in der Gesamtleistung, bieten neuere Designs von Li-Mangan Verbesserungen in spezifische Leistung, Sicherheit und Lebensdauer.
Quelle: Boston Consulting Group

Die meisten Li-Mangan-Batterien mischen mit Lithium Nickel Kobalt Manganoxid (NMC) zur Verbesserung der spezifischen Energiebedarfs und verlängern die Lebensdauer. Diese Kombination bringt das beste in jedem System, und die LMO (NMC) ist für die meisten elektrischen Fahrzeuge wie den Nissan Leaf, Chevy Volt und BMW i3 gewählt. Der LMO Teil der Batterie, die etwa 30 Prozent sein kann, bietet hohen aktuellen Schub auf Beschleunigung; der NMC-Teil gibt die lange driving Range.

Lithium-Ionen-Forschung gravitiert stark in Richtung Li-Mangan mit Kobalt, Nickel, Mangan und Aluminium als aktive Kathodenmaterial zu verbinden. In einigen Architektur wird eine kleine Menge an Silizium zur Anode hinzugefügt. Dies stellt eine Steigerung von 25 Prozent seiner Kapazität; der Gewinn ist jedoch häufig mit einer kürzeren Lebensdauer verbunden, da Silizium wächst und mit Lade- und Entladezyklen schrumpft, mechanischen Stress verursacht.

Diese drei aktiven Metalle sowie die Silizium-Erweiterung kann bequem zur Verbesserung der spezifischen Energie (Kapazität), spezifische Leistung (Belastbarkeit) oder Langlebigkeit gewählt werden. Während Verbraucherbatterien für hohe Kapazität gehen, erfordern industrielle Anwendungen Batteriesysteme, die haben gute laden Fähigkeiten, liefern eine lange Lebensdauer und bieten sicheren und zuverlässigen Service.

Zusammenfassende Tabelle

Lithium-Mangan-Oxid:LiMn2O4Kathode. Graphit-anode
Kurzform: LMO oder Li-Mangan (Spinell Struktur) seit 1996
Spannungen3.70V (3.80V) nominal; typische operative Spektrum 3.0–4.2V/cell
Spezifische Energie (Kapazität)100 – 150Wh/kg
Kostenlos (C-Rate)0,7 – 1 C typisch, 3C maximal, Gebühren, 4,20V (die meisten Zellen)
Entladung (C-Rate)1C; 10C möglich mit einigen Zellen, 30C Puls (5 s), 2.50V Cut-off
Lebensdauer300 – 700 (bezogen auf Tiefe der Entladung, Temperatur)
Thermischen Instabilität250° C (482° F) typisch. Hohe Ladung fördert thermische Instabilität
AnwendungenElektrowerkzeuge, medizinische Geräte, elektrische Antriebe
KommentareHohe Leistung, aber weniger Kapazität; sicherer als Li-Kobalt; häufig vermischt mit NMC, Leistung zu verbessern.

Tabelle 6: Eigenschaften des Lithium-Manganoxid.

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (LiNiMnCoO2oder NMC)

Eines der erfolgreichsten Li-Ion-Systeme ist eine Kathode Kombination aus Nickel, Mangan, Kobalt (NMC). Ähnlich wie bei Li-Mangan, können diese Systeme angepasst werden als Energie oder Kraftzellen dienen. Beispielsweise hat eine Kapazität von etwa 2, 800mAh NMC in eine 18650-Zelle für moderate Beladungszustand und liefern 4A, 5A; NMC in derselben Zelle optimiert für spezifische Leistung hat eine Kapazität von nur ca. 2, 000mWh aber liefert eine kontinuierliche Entladestrom 20a. Eine Silizium-basierten Anode gehen an 4, 000mAh und höher, aber bei reduzierter Belastung Fähigkeit und kürzere Lebensdauer. Silizium, Graphit hinzugefügt hat den Nachteil, den die Anode wächst und schrumpft mit Laden / Entladen, so dass die Zelle mechanisch instabil.

Das Geheimnis der NMC liegt in der Kombination von Nickel und Mangan. Eine Analogie davon ist Kochsalz, in dem die wichtigsten Zutaten, Natrium und Chlorid, sind giftig auf eigene Faust, aber mischen dient als Gewürz-Salz und Essen Erhalter. Nickel ist bekannt für seine hohe spezifische Energie, aber schlechte Stabilität; Mangan hat den Vorteil der bilden eine Spinell-Struktur um niedrigen Innenwiderstand zu erreichen aber bietet eine niedrige spezifische Energie. Kombination von den Metallen erhöht gegenseitig stärken.

NMC ist der Akku der Wahl für Elektrowerkzeuge, e-Bikes und anderen elektrischen Antrieben. Die Kathode-Kombination ist in der Regel ein Drittel Nickel, Mangan und ein Drittel Kobalt, auch bekannt als 1-1-1-1 / 3. Dies bietet eine einzigartige Mischung, die auch die Rohstoffkosten aufgrund reduzierter Kobalt senkt. Mit 5 Teile Nickel, 3 Teile Kobalt und 2 Teile Mangan ist eine weitere gelungene Kombination NCM. Weitere Kombinationen mit verschiedenen Mengen von Kathoden-Material sind möglich. Neue Elektrolyte und Additive ermöglichen der Ladevorgang 4.4V / Zelle und höher, um die Kapazität zu erhöhen. Abbildung 7 zeigt die Merkmale der NMC.

Snapshot of NMC

Abbildung 7: Snapshot von NMC.
NMC hat gute Gesamtleistung und zeichnet sich auf spezifische Energie. Diese Batterie ist der bevorzugte Kandidat für das Elektrofahrzeug und hat die geringste Eigenerwärmung.
Quelle: Boston Consulting Group

Gibt es ein Schritt in Richtung NMC gemischt Li-Ion, wie das System wirtschaftlich gebaut werden kann und eine gute Performance erreicht. Die drei aktiven Materialien aus Nickel, Mangan und Kobalt können leicht gemischt werden, um eine breite Palette von Anwendungen für Automobil- und Energiespeicher (EBS), die Radfahren häufig benötigen. Die NMC-Familie wächst in seiner ganzen Vielfalt.

Zusammenfassende Tabelle

Lithium Nickel Kobalt Manganoxid:LiNiMnCoO2. Kathode und Anode Graphit
Kurzform: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN mit Metall Kombinationen ähnlich) seit 2008
Spannungen3.60V, 3.70V nominal; typische operative Spektrum 3.0–4.2V/cell oder höher
Spezifische Energie (Kapazität)150 – 220Wh/kg
Kostenlos (C-Rate)0,7 – 1 C, Gebühren, 4,20V, einige gehen auf 4.30V; 3h kostenlos typisch. Ladestrom über 1C verkürzt die Lebensdauer der Batterie.
Entladung (C-Rate)1C; 2C möglich auf einige Zellen; 2.50V Cut-off
Lebensdauer1000 – 2000 (bezogen auf Tiefe der Entladung, Temperatur)
Thermischen Instabilität210° C (410° F) typisch. Hohe Ladung fördert thermische Instabilität
AnwendungenE-Bikes, medizinische Geräte, EVs, Industrie-
KommentareBietet hohe Kapazität und hohe Leistung. Dient als Hybridzelle. Lieblings-Chemie für viele Anwendungen; Marktanteil steigt.

Tabelle 8: Eigenschaften desLithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC).

Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4)

Im Jahr 1996 entdeckte der University of Texas (und andere Mitwirkende) Phosphat als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithium-Batterien. Li-Phosphat bietet gute elektrochemischen Leistung mit geringem Widerstand. Mit Nano-Maßstab Phosphat Kathodenmaterial möglich wird. Die wichtigsten Vorteile sind hohe Strombelastbarkeit und lange Lebensdauer, neben gute thermische Stabilität verbessert Sicherheit und Toleranz, wenn missbraucht.

Li-Phosphat ist toleranter Vollladung Bedingungen und ist weniger gestresst als andere Lithium-Ionen-Systeme, wenn über einen längeren Zeitraum bei hoher Spannung gehalten. (SieheBU-808: Wie man Lithium-basierte Batterien verlängern). Als Kompromiss, seine geringere Nennspannung von 3.2V / Zelle reduziert die spezifische Energie unter der Lithium-Ionen-Kobalt-Basis. Mit den meisten Batterien Kälte reduziert die Leistung und erhöhten Lagertemperatur verkürzt die Lebensdauer und Li-Phosphat ist keine Ausnahme. Li-Phosphat hat eine höhere als andere Lithium-Ionen-Akkus Selbstentladung die ausgleichende Probleme mit dem Altern verursachen können. Sauberkeit in der Fertigung ist von Bedeutung für die Langlebigkeit. Es gibt keine Toleranz gegenüber Feuchtigkeit, damit der Akku nur 50 Hz liefern. Abbildung 9 fasst die Attribute des Li-Phosphat.

Li-Phosphat wird oft verwendet, um die Blei-Säure Starter-Batterie ersetzen. Vier Zellen in Serie produzieren 12.80V, eine ähnliche Spannung auf sechs 2V Blei Säure Zellen in Serie. Fahrzeuge laden Sie Blei-Säure, 14.40V (2.40V / Zelle) und ein Topping kostenlos zu erhalten. Mit vier Li-Phosphat-Zellen in Reihe, jede Zelle Tops zu 3.60V, ist das die richtige voll-Ladespannung. An dieser Stelle sollte die Ladung abgeschaltet werden aber die Topping Charge weiter während der Fahrt. Li-Phosphat ist tolerant gegenüber einigen überladen; jedoch könnte die Spannung auf 14.40V über einen längeren Zeitraum zu halten, wie die meisten Fahrzeuge auf einer langen Fahrt, Li-Phosphat betonen. Kalten Temperaturen ab Betrieb könnte auch ein Problem mit Li-Phosphat als eine Starterbatterie.

Snapshot of a typical Li-phosphate battery

Abbildung 9: Snapshot eines typischen Li-Phosphat-Akkus.
Li-Phosphat hat ausgezeichnete Sicherheit und lange Lebensdauer aber Moderate spezifische Energie und erhöhte Selbstentladung.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Zusammenfassende Tabelle

Lithium-Eisenphosphat:LiFePO4Kathode und Anode Graphit
Kurzform: LFP oder Li-Phosphat seit 1996
Spannungen3.20, 3.30V nominal; typische operative Spektrum 2.5–3.65V/cell
Spezifische Energie (Kapazität)90 – 120Wh/kg
Kostenlos (C-Rate)1C typisch, Gebühren, 3.65V; 3h Ladezeit typisch
Entladung (C-Rate)1C, 25C auf einige Zellen; 40A Puls (2 s); 2.50V Cut-Off (niedriger, dass 2V schädigt)
Lebensdauer1000 – 2000 (bezogen auf Tiefe der Entladung, Temperatur)
Thermischen Instabilität270° C (518° F) sehr sichere Batterie auch wenn voll geladen
AnwendungenTragbare und stationäre benötigen hohe Lastströme und Ausdauer
KommentareSpannung sehr flache Entladekurve aber geringe Kapazität. Einer der sichersten
Li-Ionen. Verwendet für spezielle Märkte. Erhöhte Selbstentladung.

Tabelle 10: Merkmale derLithium-Eisenphosphat.

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-oxid (LiNiCoAlO2)

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Batterie oder NCA, seit um für spezielle Anwendungen 1999. Es teilt Ähnlichkeiten mit NMC durch hohe spezifische Energie, recht gute spezifische Leistung und eine lange Lebensdauer. Weniger schmeichelhaft sind Sicherheit und Kosten. Abbildung 11 fasst die sechs wichtigsten Merkmale. NCA ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Nickel-Oxid; Hinzufügen von Aluminium verleiht der Chemie mehr Stabilität.

Snapshot of NCA

Abbildung 11: Momentaufnahme der NCA.
Hohe Energie- und Leistungsdichten sowie gute Lebensdauer machen NCAa Kandidaten für EV-Antriebe. Hohe Kosten und geringe Sicherheit sind negative.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Zusammenfassende Tabelle

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid:LiNiCoAlO2Kathode (~ 9 % Co), Graphit-Anode
Kurzform: NCA oder Li-Aluminium. Seit 1999
Spannungen3.60V nominal; typische operative Spektrum 3.0–4.2V/cell
Spezifische Energie (Kapazität)200-260Wh/kg; 300Wh/kg vorhersehbar
Kostenlos (C-Rate)0,7 C, Gebühren, 4,20V (die meisten Zellen), 3 h kostenlos typische, schnelle Ladung möglich mit einigen Zellen
Entladung (C-Rate)1C typische; 3.00V Cut-off; hohe Fördermenge verkürzt die Lebensdauer der Batterie
Lebensdauer500 (in Bezug auf Tiefe der Entladung, Temperatur)
Thermischen InstabilitätTypische, hohe Gebühr 150° C (302° F) fördert thermische Instabilität
AnwendungenMedizinische Geräte, industrielle, Elektroantrieb (Tesla)
KommentareTeilt Ähnlichkeiten mit Li-Kobalt. Dient als Energiezelle.

Tabelle 12: Merkmale der Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-oxid.

Lithium-Titanat (Li4TI5O12)

Batterien mit Lithium-Titanat-Anoden haben seit den 1980er Jahren bekannt. Li-Titanat ersetzt das Graphit in der Anode eine typische Lithium-Ionen-Akku und die materiellen Formen in ein Spinell-Struktur. Die Kathode kann Lithium-Manganoxid oder NMC. Li-Titanat hat eine nominelle Zellenspannung von 2.40V, kann schnell aufgeladen werden und liefert einen hohen Entladestrom von 10 C oder 10 Mal die Nennleistung. Die Zyklenzahl soll höher als bei einer regulären Li-Ion. Li-Titanat ist sicher, hat ausgezeichnete Niedertemperatur-Entlastung Eigenschaften und eine Kapazität von 80 Prozent bei – 30 ° C (– 22 ° F) erhält. Aber die Batterie ist teuer und bei 65Wh/kg die spezifische Energie ist gering, gleich der NiCd. Li-Titanat Gebühren für 2.80V / Zelle, und am Ende der Entladung ist 1.80V / Zelle. Abbildung 13 zeigt die Eigenschaften des Li-Titanat-Akkus. Typische Einsatzgebiete sind elektrische Antriebe, UPS und solarbetriebenen Straßenbeleuchtung.

Snapshot of Li-titanate

Abbildung 13: Überblick Li-Titanat.
Li-Titanat zeichnet sich durch Sicherheit, Niedertemperatur-Leistung und Lebensdauer. Anstrengungen werden unternommen, die spezifische Energie und geringeren Kosten zu verbessern.
Quelle: Boston Consulting Group

Zusammenfassende Tabelle

Lithium-Titanat:Lithium-Manganoxid oder NMC kann; Li4TI5O12(Titanat) anode
Kurzform: LTO oder Li-Titanat seit etwa 2008 im Handel erhältlich.
Spannungen2.40V nominal; typische operative Spektrum 1.8–2.85V/cell
Spezifische Energie (Kapazität)70 – 80Wh/kg
Kostenlos (C-Rate)1C typische; 5C maximal, Gebühren, 2.85V
Entladung (C-Rate)10C möglich, 30 5 s Puls; 1.80V Cut-off auf LCO/LTO
Lebensdauer3,000–7,000
Thermischen InstabilitätEiner der sichersten Lithium-Ionen-Batterien
AnwendungenUPS, Elektroantrieb (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV),
Solarbetriebene Straßenbeleuchtung
KommentareLange Lebensdauer, Schnellladung, weiten Temperaturbereich aber niedrige spezifische Energie und teuer. Unter den sichersten Lithium-Ionen-Batterien.

Tabelle 14: Merkmale der Lithium-Titanat.

Abbildung 15 vergleicht die spezifische Energie von Blei, Nickel und Lithium-basierten Systemen. Während Li-Aluminium (NCA) der klare Sieger ist durch die Speicherung von mehr Kapazität als andere Systeme, gilt dies nur für spezifische Energie. In Bezug auf spezifische Leistung und thermische Stabilität sind Li-Mangan (LMO) und Li-Phosphat (LFP) überlegen. Li-Titanat (LTO) möglicherweise geringen Kapazität, aber diese Chemie überlebt die meisten anderen Batterien in Bezug auf Lebensdauer und hat auch die beste Leistung der kalten Temperaturen. Richtung des elektrischen Antriebsstrangs, gewinnen Sicherheit und Zyklus Leben Dominanz über der Kapazität. (LCO steht für Li-Cobalt, die original Li-Ion).

Battery Chemistries

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