Sechs gängige Arten von Lithiumbatterien und ihre wichtigsten Leistungsparameter

Wir sprechen oft von ternären Lithium-Batterien oder Lithium-Eisen-Batterien, die nach Kathodenaktiven Materialien für Lithium-Batterien benannt sind.In diesem Papier werden die sechs häufigsten Lithiumbatterietypen und ihre wichtigsten Leistungsparameter zusammengefaßt.Wie wir alle wissen, die gleiche technische Route der Zelle, die spezifischen Parameter sind nicht genau die gleichen, zeigt dieses Papier das allgemeine Niveau der aktuellen Parameter.Die sechs Lithiumbatterien umfassen: Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), Lithiummanganmanganat (LiMn2O4), Lithiumnickel-Kobaltmanganat (LiNiMnCoO2 oder NMC), Lithiumnickel-Kobaltaluminat (LiNiCoAlO2 oder NCA),Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) und Lithium-Titanat (Li4Ti5O12).

Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) Seine hohe spezifische Energie macht Lithium-Kobalt-Oxid zu einer beliebten Wahl für Mobiltelefone, Laptops und Digitalkameras.Die Batterie besteht aus einer Kobalt-Oxid-Kathode und einer Graphit-Kohlenstoff-AnodeDie Kathode hat eine Schichtstruktur, bei der sich Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode bewegen und der Ladevorgang in die entgegengesetzte Richtung fließt.Während der EntlastungDie Nachteile von Lithium-Kobalt-Oxid sind seine relativ kurze Lebensdauer.geringe thermische Stabilität und begrenzte Lastkapazität (spezifische Leistung)Wie bei anderen Kobalthybrid-Lithium-Ionen-Batterien verwendet Lithium-Kobalt-Oxid eine Graphit-Anode, deren Zyklusdauer hauptsächlich durch die Feststoff-Elektrolyt-Schnittstelle (SEI) begrenzt ist.vor allem in der allmählichen Verdickung des SEI-FoliumsNeue Materialsysteme fügen Nickel, Mangan und/oder Aluminium hinzu, um die Lebensdauer zu verbessern.Lastkapazität und KostenLithium-Kobalt-Oxid darf nicht mit einem Strom über der Kapazität geladen und entladen werden.400 mAh können nur mit einer Leistung von 2 mAh oder weniger geladen und entladen werden.Für ein optimales Schnellladen empfiehlt der Hersteller einen Lademultiplizier von 0.8C oder etwa 2Der Schutzkreis der Batterie beschränkt die Lade- und Entladegeschwindigkeiten der Energieeinheit auf ein Sicherheitsniveau von etwa 1 C.

Lithiummanganat (LiMn2O4) Lithiumspinel-Manganatbatterie wurde erstmals 1983 veröffentlicht. 1996 vermarktete Moli Energy Lithium-Ionen-Batterien mit Lithiummangan-Oxid als Kathodenmaterial.Die Architektur bildet eine dreidimensionale Spinelstruktur, die den Ionenfluss auf der Elektrode undEin weiterer Vorteil des Spinels ist seine hohe thermische Stabilität, verbesserte Sicherheit,aber begrenzte Fahrradfahrt und Kalenderlaufzeit. Der geringe interne Widerstand der Batterie ermöglicht ein schnelles Aufladen und eine hohe Stromentladung.mit einer moderaten WärmeansammlungDie konstante hohe Belastung bei diesem Strom verursacht eine Erhöhung der Wärme, und die Batterie-Temperatur darf 80 °C (176 °F) nicht überschreiten.Lithiummanganat wird in Elektrowerkzeugen verwendetLithium-Manganat ist etwa ein Drittel schwächer als Lithium-Kobalt-Oxid.Durch die Flexibilität der Konstruktion können Ingenieure wählen, wie sie die Akkulaufzeit maximieren, oder um den maximalen Laststrom (spezifische Leistung) oder die Kapazität (spezifische Energie) zu erhöhen.die Hochleistungsversion verfügt über 1500 mAh.

Die meisten Lithium-Mangan-Oxid wird mit Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) gemischt, um die spezifische Energie zu erhöhen und die Lebensdauer zu verlängern.und die meisten Elektrofahrzeuge, wie der Nissan Leaf, der Chevrolet Volt und der BMW i3, haben den LMO (NMC). Der LMO-Teil der Batterie kann etwa 30% erreichen, was bei der Beschleunigung einen hohen Strom erzeugen kann;und der NMC-Teil bietet eine lange ReichweiteLithium-Ionen-Batterie-Studien tendieren dazu, Lithium-Mangan-Oxid mit Kobalt, Nickel, Mangan und/oder Aluminium als aktive Kathodenmaterialien zu kombinieren.der Anode wird eine kleine Menge Silizium zugesetztDies führt zu einer Kapazitätserhöhung um 25%; das Silizium dehnt sich jedoch bei Ladung und Entladung aus und schrumpft, was zu mechanischen Belastungen führt,und die Kapazitätserhöhung häufig eng mit einer kurzen Lebensdauer verbunden istDiese drei aktiven Metalle und Siliziumverstärkung können leicht ausgewählt werden, um die spezifische Energie (Kapazität), die spezifische Leistung (Ladekapazität) oder die Lebensdauer zu verbessern.,Industrieanwendungen erfordern Batteriesysteme mit guter Lastkapazität, langer Lebensdauer und sicheren und zuverlässigen Dienstleistungen.

Eines der erfolgreichsten Lithium-Ionen-Systeme aus Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Manganat (LiNiMnCoO2 oder NMC) ist die Kathodenkombination aus Nickel-Nickel-Mangan-Kobalt (NMC).Ähnlich wie LithiummanganatDas System kann beispielsweise als Energiebatterie oder als Leistungsbatterie angepasst werden. Zum Beispiel hat die NMC in einer 18650-Batterie unter mittleren Belastungsbedingungen eine Kapazität von ca.800mAh und kann 4A bis 5A Entladeströme liefernDie gleiche Art von NMC ist für eine spezifische Leistung mit einer Kapazität von nur 2.000 mAh optimiert, kann jedoch einen kontinuierlichen Entladestrom von 20 A liefern.aber die Lastkapazität wird reduziert und die Lebensdauer des Zyklus verkürztDas dem Graphit hinzugefügte Silizium hat einen Defekt, d.h. die Anode dehnt sich bei Lade- und Entladung aus und zieht sich zusammen, wodurch die große mechanische Belastungsstruktur der Batterie instabil wird.Das Geheimnis des NMC ist die Kombination von Nickel und ManganSo ist es beim Speisesalz, wo die Hauptbestandteile Natrium und Chlorid selbst giftig sind, aber sie werden als Aromasalze und Lebensmittelkonservierungsmittel gemischt.Nickel ist bekannt für seine hohe spezifische Energie, hat aber eine schlechte Stabilität; die Spinellstruktur des Mangans erreicht einen geringen inneren Widerstand, aber eine geringere spezifische Energie.NMC ist die Batterie der Wahl für ElektrowerkzeugeBei der Herstellung von Elektromotiven sind die Kombinationen in der Regel aus einem Drittel Nickel, einem Drittel Mangan und einem Drittel Kobalt, auch als 1-1-1 bezeichnet.Dadurch wird ein einzigartiges Gemisch hergestellt, das aufgrund des geringen Kobaltgehalts auch die Rohstoffkosten senkt.Eine weitere erfolgreiche Kombination war die NCM, die 5 Teile Nickel, 3 Teile Kobalt und 2 Teile Mangan (5 3-2) enthielt.Andere Kombinationen verschiedener Mengen von Kathodenmaterialien können ebenfalls verwendet werden.Aufgrund der hohen Kosten für Kobalt wechselten die Batteriehersteller von Kobalt auf Nickel-Kathoden.und eine längere Lebensdauer als Kobalt-basierte Batterien, aber sie haben etwas niedrigere Spannungen.

Lithium-Eisenphosphat (LiFePO 4) Im Jahr 1996 fand die Universität von Texas heraus, dass Phosphat als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithiumbatterien verwendet werden könnte.Lithiumphosphat hat gute elektrochemische Eigenschaften und einen geringen WiderstandDie wichtigsten Vorteile sind hoher Nennstrom und lange Lebensdauer, gute thermische Stabilität, verbesserte Sicherheit und Missbrauchsverträglichkeit.Bei langen HochspannungsprozessenLithium-Phosphate ist gegenüber anderen Lithium-Ionen-Systemen besser belastbar und weniger belastet.Die Nennspannung der 2V-Batterie macht die spezifische Energie niedriger als die von Kobalt-dopierten Lithium-Ionen-BatterienBei den meisten Batterien reduzieren niedrige Temperaturen die Leistung, höhere Speichertemperaturen verkürzen die Lebensdauer, Lithiumphosphat ist keine Ausnahme.Lithiumphosphat hat eine höhere Selbstentladung als andere Lithium-Ionen-Batterien, die zu Alterungs- und weiteren Gleichgewichtsproblemen führen können, die durch die Verwendung hochwertiger Batterien oder durch die Verwendung fortschrittlicher Batteriemanagementsysteme ausgeglichen werden können,aber beide Methoden erhöhen die Kosten für das BatteriepaketDie Batterielebensdauer ist sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Herstellungsprozess und kann dem Doping von Wasser nicht standhalten.Einige Batterien haben eine Lebensdauer von nur 50 ZyklenDie Eigenschaften von Lithiumphosphat werden in Abbildung 9 zusammengefasst. Lithiumphosphat wird häufig anstelle von Blei-Säure-Startbatterien verwendet.mit einer ähnlichen Spannung wie die sechs 2V-Blei-Säure-Zellen in SerieDas Fahrzeug lädt die Blei-Säure in die 14,40V (2,40V/Batterie) und bleibt schwebend geladen.Der Zweck der schwimmenden Ladung besteht darin, das volle Ladegehalt aufrechtzuerhalten und die Sulfatierung der Blei-Säure-Batterien zu verhindern..

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminat (LiNiCoAlO2 oder NCA) Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminat-Batterien oder NCA werden seit 1999 verwendet.Die spezifische Leistung ist sehr gut und die Lebensdauer ähnlich wie bei NMC.Weniger schmeichelhaft sind Sicherheit und Kosten.

Lithium-Titanat (Li4Ti5O12) Lithium-Titanat-Anodenbatterien sind seit den 1980er Jahren bekannt.und das Material bildet eine SpinellstrukturDie Kathode kann Lithiummanganat oder NMC sein. Lithiumtitanat hat eine Nennbatteriespannung von 2,40 V, die schnell aufgeladen werden kann, und liefert einen hohen Entladestrom von 10 °C.Die Anzahl der Zyklen soll höher sein als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-BatterienLithium-Titanat ist sicher und verfügt über ausgezeichnete Niedertemperaturentladungseigenschaften, die 80% der Kapazität bei 30 °C (-22 °F) erreichen.keine SEI-Membranbildung und kein Lithium-Gehalt während des Schnellladens und des Niedertemperaturladens, so dass es die bessere Ladungs-Entladungsleistung der traditionellen Kobalt-gemischten Li-Ionen- und Graphit-Anode aufweist.jedochDie spezifische Energie ist gering, nur 65Wh/kg, vergleichbar mit NiCd. Lithium-Titanat wird bei 2,80V und 1,80V beim Entladen geladen.Abbildung 13 zeigt die Eigenschaften von Lithium-Titanat-Batterien. Typische Anwendungen sind ein elektrischer Antriebsstrang, UPS und Solarstraßenlaternen.Lithiummanganat und Lithium-Eisenphosphat bieten eine überlegene spezifische Leistung und thermische StabilitätLithium-Titanat hat die beste Lebensdauer.