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Gli ioni di litio sono chiamati per i suoi materiali attivi; le parole sono scritte per intero o abbreviate dai loro simboli chimici. Una serie di lettere e numeri messi insieme può essere difficile da ricordare e persino più difficile da pronunciare, e anche i codici della batteria sono identificati in lettere abbreviate.
Ad esempio, l'ossido di litio e cobalto, uno degli ioni Li-ion più comuni, ha i simboli chimici LiCoO 2 e l'abbreviazione LCO. Per motivi di semplicità, la forma corta di Li-cobalto può essere utilizzata anche per questa batteria. Il cobalto è il principale materiale attivo che conferisce questo carattere di batteria. Altri prodotti chimici a ioni di litio hanno nomi simili in forma abbreviata. Questa sezione elenca sei dei Li-ioni più comuni. Tutte le letture sono stime medie al momento della scrittura.
Ossido di cobalto di litio (LiCoO 2 )
La sua alta energia specifica rende il Li-cobalto la scelta popolare per telefoni cellulari, laptop e fotocamere digitali. La batteria è composta da un catodo di ossido di cobalto e un anodo di carbonio grafite. Il catodo ha una struttura a strati e durante lo scarico, gli ioni di litio si spostano dall'anodo al catodo. Il flusso si inverte alla carica. L'inconveniente di Li-cobalto è una durata relativamente breve, bassa stabilità termica e capacità di carico limitate (potenza specifica). La figura 1 illustra la struttura
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Figura 1 : struttura di Li-cobalto. |
L'inconveniente di Li-cobalto è una durata relativamente breve, bassa stabilità termica e capacità di carico limitate (potenza specifica). Come altri Li-ioni assemblati con cobalto, il Li-cobalto ha un anodo di grafite che limita la durata del ciclo mediante un'interfaccia elettrolitica solida (SEI) , un ispessimento sull'anodo e la placcatura al litio, mentre la ricarica e la ricarica rapida a bassa temperatura. I sistemi più recenti includono nickel, manganese e / o alluminio per migliorare la longevità, le capacità di carico e i costi.
Il Li-cobalto non dovrebbe essere caricato e scaricato a una corrente superiore al suo C-rating. Ciò significa che una cella 18650 con 2.400 mAh può essere caricata e scaricata solo a 2.400 mA. Forzare una carica veloce o applicare un carico superiore a 2.400 mA provoca surriscaldamento e stress eccessivo. Per una ricarica rapida ottimale, il produttore consiglia una frequenza C di 0,8 ° C o circa 2000 mA. (Se e BU-402: che cosa è C-rate ). Il circuito di protezione della batteria obbligatorio limita la velocità di carica e scarica ad un livello di sicurezza di circa 1C per la cella di energia.
La grafica a forma di ragno esagonale (Figura 2) riassume le prestazioni di Li-cobalto in termini di energia specifica o capacità relativa al tempo di esecuzione; potenza specifica o capacità di fornire corrente elevata; sicurezza; prestazioni a temperature calde e fredde; durata della vita che riflette ciclo di vita e longevità; e costo . Altre caratteristiche di interesse non mostrate nelle ragnatele sono la tossicità, le capacità di carica rapida, l'autoscarica e la durata di conservazione. (Vedi BU-104c: The Octagon Battery - Che cosa rende una batteria una batteria ).
Il Li-cobalto sta perdendo il favore del Li-manganese, ma soprattutto dell'NMC e dell'NCA a causa dell'elevato costo del cobalto e delle prestazioni migliorate miscelandosi con altri materiali catodici attivi. (Vedere la descrizione di NMC e NCA di seguito.)
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Figura 2 : istantanea di una batteria Li-cobalto media. |
Tabella riassuntiva
Ossido di cobalto di litio: catodo LiCoO 2 (~ 60% Co), anodo di grafite | |
tensioni | 3,60 V nominali; tipico intervallo di funzionamento 3,0-4,2 V / cella |
Energia specifica (capacità) | 150-200Wh / kg. Le celle speciali forniscono fino a 240 Wh / kg. |
Carica (C-rate) | 0,7-1 C, cariche a 4,20 V (la maggior parte delle celle); 3 ore di carica tipica. La corrente di carica sopra 1C riduce la durata della batteria. |
Scarica (C-rate) | 1C; 2,50 V tagliato. La corrente di scarica sopra 1C riduce la durata della batteria. |
Vita in bicicletta | 500-1000, relativo alla profondità di scarico, carico, temperatura |
Fuggiasco termico | 150 ° C (302 ° F). La carica completa promuove la fuga termica |
applicazioni | Cellulari, tablet, laptop, fotocamere |
Commenti | Energia specifica molto alta, potenza specifica limitata. Il cobalto è costoso. Serve come cella energetica. La quota di mercato si è stabilizzata. |
Tabella 3: caratteristiche dell'ossido di cobalto di litio.
Litio ossido di manganese (LiMn 2 O 4 )
Li-ion con spinello di manganese è stato pubblicato per la prima volta nel Materials Research Bulletin nel 1983. Nel 1996, Moli Energy ha commercializzato una cella a ioni di litio con ossido di manganese di litio come materiale catodico. L'architettura forma una struttura spinna tridimensionale che migliora il flusso di ioni sull'elettrodo, il che si traduce in una minore resistenza interna e una migliore gestione della corrente. Un ulteriore vantaggio dello spinello è l'elevata stabilità termica e una maggiore sicurezza, ma la durata del ciclo e del calendario è limitata.
La bassa resistenza delle celle interne consente una ricarica rapida e una scarica ad alta corrente. In un pacchetto 18650, il Li-manganese può essere scaricato a correnti di 20-30A con un moderato accumulo di calore. È anche possibile applicare impulsi di carico di un secondo fino a 50A. Un carico elevato continuo a questa corrente causerebbe un accumulo di calore e la temperatura della cella non può superare gli 80 ° C (176 ° F). Il manganese viene utilizzato per utensili elettrici, strumenti medici e veicoli ibridi ed elettrici.
La Figura 4 illustra la formazione di una struttura cristallina tridimensionale sul catodo di una batteria di Li-manganese. Questa struttura di spinello, che di solito è composta da forme di diamante collegate in un reticolo, appare dopo la formazione iniziale.
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Figura 4: struttura Li-manganese. |
Il manganese ha una capacità che è circa un terzo inferiore rispetto al Li-cobalto. La flessibilità di progettazione consente agli ingegneri di massimizzare la batteria per una durata ottimale (durata), corrente massima di carico (potenza specifica) o alta capacità (energia specifica). Ad esempio, la versione a lunga durata nella cella 18650 ha una capacità moderata di soli 1,100 mAh; la versione ad alta capacità è 1.500 mAh.
La Figura 5 mostra la ragnatela di una tipica batteria Li-manganese. Le caratteristiche appaiono marginali ma i nuovi design sono migliorati in termini di potenza specifica, sicurezza e durata della vita. Le batterie al Li-manganese puro non sono più comuni oggi; possono essere utilizzati solo per applicazioni speciali.
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Figura 5: istantanea di una batteria Li-manganese pura. |
La maggior parte delle batterie Li-manganese si fondono con l'ossido di cobalto al manganese e il nichel di litio (NMC) per migliorare l'energia specifica e prolungare la durata della vita. Questa combinazione fa emergere il meglio in ogni sistema e la LMO (NMC) viene scelta per la maggior parte dei veicoli elettrici, come la Nissan Leaf, la Chevy Volt e la BMW i3. La parte LMO della batteria, che può essere di circa il 30 percento, fornisce un'elevata spinta di corrente all'accelerazione; la parte NMC offre il lungo campo di guida.
La ricerca sugli ioni di litio gravita fortemente sulla combinazione di Li-manganese con cobalto, nichel, manganese e / o alluminio come materiale catodico attivo. In alcune architetture, una piccola quantità di silicio viene aggiunta all'anodo. Ciò fornisce un aumento della capacità del 25 percento; tuttavia, il guadagno è comunemente collegato a una durata del ciclo più breve, in quanto il silicio cresce e si restringe con carica e scarica, causando stress meccanico.
Questi tre metalli attivi e l'ottimizzazione del silicio possono essere scelti convenientemente per migliorare l'energia specifica (capacità), la potenza specifica (capacità di carico) o la longevità. Mentre le batterie di consumo sono ad alta capacità, le applicazioni industriali richiedono sistemi di batterie con buone capacità di carico, una lunga durata e un servizio sicuro e affidabile.
Tabella riassuntiva
Ossido al manganese di litio: catodo LiMn 2 O 4 . anodo di grafite | |
tensioni | 3,70 V (3,80 V) nominali; tipico intervallo di funzionamento 3,0-4,2 V / cella |
Energia specifica (capacità) | 100-150Wh / kg |
Carica (C-rate) | 0,7-1C tipico, 3C massimo, cariche a 4,20 V (la maggior parte delle celle) |
Scarica (C-rate) | 1C; 10 ° C possibile con alcune celle, impulso 30C (5 s), taglio 2,50 V |
Vita in bicicletta | 300-700 (relativo alla profondità di scarica, temperatura) |
Fuggiasco termico | 250 ° C (482 ° F) tipico. L'alta carica promuove l'instabilità termica |
applicazioni | Utensili elettrici, dispositivi medici, propulsori elettrici |
Commenti | Potenza elevata ma capacità inferiore; più sicuro di Li-cobalto; comunemente mescolato con NMC per migliorare le prestazioni. |
Tabella 6: caratteristiche dell'ossido di manganese di litio.
Ossido di cobalto al manganese al nichel al nichel (LiNiMnCoO 2 o NMC)
Uno dei sistemi Li-ion di maggior successo è una combinazione catodica di nichel-manganese-cobalto (NMC). Simile al Li-manganese, questi sistemi possono essere adattati per servire come celle energetiche o celle energetiche . Ad esempio, NMC in una cella 18650 per condizioni di carico moderate ha una capacità di circa 2.800 mAh e può fornire da 4 A a 5 A; NMC nella stessa cella ottimizzata per potenza specifica ha una capacità di solo circa 2.000 mAh ma fornisce una corrente di scarica continua di 20A. Un anodo a base di silicio andrà a 4.000 mAh e più in alto ma a capacità di carico ridotta e durata del ciclo più breve. Il silicio aggiunto alla grafite presenta l'inconveniente che l'anodo cresce e si restringe con carica e scarica, rendendo la cellula instabile meccanicamente.
Il segreto di NMC sta nella combinazione di nichel e manganese. Un'analogia di questo è il sale da tavola in cui gli ingredienti principali, il sodio e il cloruro, sono tossici da soli, ma la loro miscelazione funge da condimento e conservante. Il nichel è noto per la sua elevata energia specifica ma scarsa stabilità; Il manganese ha il vantaggio di formare una struttura a spinello per ottenere una bassa resistenza interna ma offre una bassa energia specifica. La combinazione dei metalli migliora l'un l'altro i punti di forza.
NMC è la batteria ideale per elettroutensili, biciclette elettriche e altri propulsori elettrici. La combinazione di catodi è tipicamente di un terzo di nichel, un terzo di manganese e un terzo di cobalto, noto anche come 1-1-1. Questo offre una miscela unica che riduce anche il costo della materia prima a causa della riduzione del contenuto di cobalto. Un'altra combinazione di successo è NCM con 5 parti di nichel, 3 parti di cobalto e 2 parti di manganese (5-3-2). Sono possibili altre combinazioni che utilizzano varie quantità di materiali catodici.
I produttori di batterie si allontanano dai sistemi cobalto verso i catodi di nickel a causa dell'elevato costo del cobalto. I sistemi a base di nichel hanno una maggiore densità di energia, un costo inferiore e una durata del ciclo più lunga rispetto alle celle a base di cobalto, ma hanno una tensione leggermente inferiore.
Nuovi elettroliti e additivi consentono di caricare fino a 4,4 V / cella e più alto per aumentare la capacità. La Figura 7 mostra le caratteristiche del NMC.
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Figura 7: Snapshot di NMC. |
C'è un passaggio verso gli ioni di litio miscelati con NMC poiché il sistema può essere costruito economicamente e raggiunge buone prestazioni. I tre materiali attivi di nichel, manganese e cobalto possono essere facilmente miscelati per adattarsi a un'ampia gamma di applicazioni per i sistemi di stoccaggio automobilistico ed energetico (EES) che richiedono cicli frequenti. La famiglia NMC sta crescendo nella sua diversità.
Tabella riassuntiva
Ossido di cobalto al manganese e nichel al litio: LiNiMnCoO 2 . catodo, anodo di grafite | |
tensioni | 3,60 V, 3,70 V nominali; tipico intervallo operativo 3,0-4,2 V / cella o superiore |
Energia specifica (capacità) | 150-220Wh / kg |
Carica (C-rate) | 0,7-1 C, carica a 4,20 V, alcuni vanno a 4,30 V; 3 ore di carica tipica. La corrente di carica sopra 1C riduce la durata della batteria. |
Scarica (C-rate) | 1C; 2C possibile su alcune celle; Taglio da 2,50 V. |
Vita in bicicletta | 1000-2000 (relativo alla profondità di scarica, temperatura) |
Fuggiasco termico | 210 ° C (410 ° F) tipico. L'alta carica promuove l'instabilità termica |
Costo | ~ $ 420 per kWh (Fonte: RWTH, Aachen) |
applicazioni | E-bike, dispositivi medici, veicoli elettrici, industriali |
Commenti | Fornisce alta capacità e alta potenza. Funziona come una cella ibrida. Chimica preferita per molti usi; la quota di mercato è in aumento. |
Tabella 8: caratteristiche del nichel di manganese al cobalto ossido di nichel (NMC).
Fosfato di ferro e litio (LiFePO 4 )
Nel 1996, l'Università del Texas (e altri contributori) scoprirono il fosfato come materiale catodico per batterie al litio ricaricabili. Il Li-fosfato offre buone prestazioni elettrochimiche con bassa resistenza. Ciò è reso possibile con materiale catodico fosfato su nanoscala. I principali vantaggi sono l'alta corrente nominale e la lunga durata del ciclo, oltre a una buona stabilità termica, maggiore sicurezza e tolleranza in caso di abuso.
Il Li-fosfato è più tollerante alle condizioni di piena carica ed è meno stressato di altri sistemi agli ioni di litio se tenuto ad alta tensione per un tempo prolungato. (Vedi BU-808: Come prolungare le batterie a base di litio ). Come compenso, la sua tensione nominale inferiore di 3,2 V / cella riduce l'energia specifica inferiore a quella dello ione litio miscelato al cobalto. Con la maggior parte delle batterie, la temperatura fredda riduce le prestazioni e l'elevata temperatura di conservazione riduce la durata e il liofosfato non fa eccezione. Il Li-fosfato ha una maggiore autoscarica rispetto ad altre batterie agli ioni di litio, che possono causare problemi di bilanciamento con l'invecchiamento. Questo può essere mitigato acquistando celle di alta qualità e / o usando un'elettronica di controllo sofisticata, entrambe le quali aumentano il costo del pacchetto. La pulizia nella produzione è importante per la longevità. Non c'è tolleranza per l'umidità, in modo che la batteria possa erogare solo 50 cicli. La Figura 9 riassume gli attributi di Li-fosfato.
Il Li-fosfato viene spesso utilizzato per sostituire la batteria di avviamento al piombo-acido. Quattro celle in serie producono 12,80 V, una tensione simile a sei celle al piombo 2V in serie. I veicoli caricano acido al piombo a 14,40 V (2,40 V / cella) e mantengono una carica di copertura. La carica di rabbocco viene applicata per mantenere il livello di carica completo e prevenire la solfatazione delle batterie acide.
Con quattro celle di fosfato di Li in serie, ogni cella supera a 3,60 V, che è la corretta tensione di carica completa. A questo punto, la carica deve essere scollegata ma la carica di copertura continua durante la guida. Il fosfato di sodio è tollerante a un sovraccarico; tuttavia, mantenere la tensione a 14,40 V per un tempo prolungato, come la maggior parte dei veicoli in un lungo viaggio, potrebbe stressare il Li-fosfato. Il tempo dirà quanto durerà il Li-fosfato come sostituto dell'acido di piombo con un normale sistema di ricarica per veicoli. La temperatura fredda riduce anche le prestazioni degli ioni di litio e questo potrebbe influenzare la capacità di avviamento in casi estremi.
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Figura 9: istantanea di una tipica batteria al litio-fosfato. |
Tabella riassuntiva
Fosfato di ferro e litio: catodo LiFePO 4 , anodo di grafite | |
tensioni | 3,20, 3,30 V nominali; tipico intervallo operativo 2,5-3,65 V / cella |
Energia specifica (capacità) | 90-120Wh / kg |
Carica (C-rate) | 1C tipico, addebito a 3,65 V; 3 ore di ricarica tipica |
Scarica (C-rate) | 1C, 25C su alcune celle; Impulso 40A (2 secondi); Taglio da 2,50 V (inferiore a 2 V causa danni) |
Vita in bicicletta | 1000-2000 (relativo alla profondità di scarica, temperatura) |
Fuggiasco termico | 270 ° C (518 ° F) Batteria molto sicura anche se completamente carica |
Costo | ~ $ 580 per kWh (Fonte: RWTH, Aquisgrana) |
applicazioni | Portatile e stazionario che richiede elevate correnti di carico e resistenza |
Commenti | Curva di scarica della tensione molto piatta ma bassa capacità. Uno dei più sicuri |
Tabella 10: caratteristiche del fosfato di ferro e litio.
Ossido di alluminio al nichel al cobalto di litio (LiNiCoAlO 2 )
La batteria al litio ossido di nichel cobalto, o NCA, esiste dal 1999 per applicazioni speciali. Condivide le similitudini con NMC offrendo un'elevata energia specifica, una potenza specifica ragionevolmente buona e una lunga durata. Meno lusinghieri sono sicurezza e costi. La Figura 11 riassume le sei caratteristiche chiave. NCA è un ulteriore sviluppo del litio ossido di nichel; l'aggiunta di alluminio conferisce maggiore stabilità alla chimica.
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Figura 11: istantanea dell'NCA. |
Tabella riassuntiva
Ossido di alluminio al nichel al cobalto di litio: catodo LiNiCoAlO 2 (~ 9% Co), anodo di grafite | |
tensioni | 3,60 V nominali; tipico intervallo di funzionamento 3,0-4,2 V / cella |
Energia specifica (capacità) | 200-260Wh / kg; 300 Wh / kg prevedibile |
Carica (C-rate) | 0,7 C, cariche a 4,20 V (la maggior parte delle celle), carica tipica 3 ore, carica rapida possibile con alcune celle |
Scarica (C-rate) | 1C tipico; Taglio da 3,00 V; l'alto tasso di scarica accorcia la durata della batteria |
Vita in bicicletta | 500 (relativo alla profondità di scarica, temperatura) |
Fuggiasco termico | 150 ° C (302 ° F) tipico, la carica elevata favorisce l'instabilità termica |
Costo | ~ $ 350 per kWh (Fonte: RWTH, Aquisgrana) |
applicazioni | Dispositivi medici, industriale, powertrain elettrico (Tesla) |
Commenti | Condivide similitudini con Li-cobalto. Serve come cella energetica. |
Tabella 12: caratteristiche dell'ossido di alluminio al cobalto di nichel al litio.
Titanato di litio (Li 4 Ti 5 O 12 )
Le batterie con anodi al titanato di litio sono note dagli anni '80. Il Li-titanato sostituisce la grafite nell'anodo di una tipica batteria agli ioni di litio e il materiale si trasforma in una struttura spinelica. Il catodo può essere ossido di litio manganese o NMC. Il titanato ha una tensione nominale della cella di 2,40 V, può essere caricato velocemente e fornisce una corrente di scarica elevata di 10 ° C o 10 volte la capacità nominale. Si dice che il numero di cicli sia superiore a quello di un normale ioni di litio. Il titanato è sicuro, ha eccellenti caratteristiche di scarico a bassa temperatura e ottiene una capacità dell'80% a -30 ° C (-22 ° F).
LTO (comunemente Li4Ti 5 O 12 ) presenta vantaggi rispetto al convenzionale Li-ion miscelato al cobalto con anodo di grafite ottenendo proprietà di deformazione zero, assenza di formazione di film SEI e assenza di placcatura al litio durante la ricarica e la ricarica rapida a bassa temperatura. La stabilità termica ad alta temperatura è anche migliore di altri sistemi a ioni di litio; tuttavia, la batteria è costosa. A soli 65 Wh / kg, l'energia specifica è bassa, rivaleggiando con quella del NiCd. Li-titanato si carica a 2,80 V / cella e la fine della scarica è di 1,80 V / cella. La Figura 13 illustra le caratteristiche della batteria al Li-titanato. Gli usi tipici sono powertrain elettrici, UPS e illuminazione stradale ad energia solare.
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Figura 13: istantanea di Li-titanato. |
Tabella riassuntiva
Titanato di litio: può essere ossido di manganese di litio o NMC; Anodo Li 4 Ti 5 O 12 (titanato) | |
tensioni | 2,40 V nominali; campo di funzionamento tipico 1,8-2,85 V / cella |
Energia specifica (capacità) | 50-80Wh / kg |
Carica (C-rate) | 1C tipico; 5C massimo, cariche a 2,85 V. |
Scarica (C-rate) | 10 C possibili, impulso 30C 5s; Interruzione di 1,80 V su LCO / LTO |
Vita in bicicletta | 3,000-7,000 |
Fuggiasco termico | Una delle batterie agli ioni di litio più sicure |
Costo | ~ $ 1,005 per kWh (Fonte: RWTH, Aquisgrana) |
applicazioni | UPS, gruppo propulsore elettrico (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV), |
Commenti | Lunga durata, carica rapida, ampio intervallo di temperature ma bassa energia specifica e costosa. Tra le batterie agli ioni di litio più sicure. |
Tabella 14: caratteristiche del titanato di litio.
La Figura 15 confronta l'energia specifica dei sistemi a base di piombo, nichel e litio. Mentre il Li-alluminio (NCA) è il chiaro vincitore stoccando più capacità di altri sistemi, questo vale solo per l'energia specifica. In termini di potenza specifica e stabilità termica, il Li-manganese (LMO) e il Li-fosfato (LFP) sono superiori. Il Li-titanato (LTO) può avere una bassa capacità ma questa chimica sopravvive alla maggior parte delle altre batterie in termini di durata della vita e ha anche le migliori prestazioni a temperature fredde. Avanzando verso il powertrain elettrico, la sicurezza e la vita del ciclo guadagneranno il dominio sulla capacità. (LCO sta per Li-cobalto, l'originale Li-ion.)
Figura 15: tipica energia specifica di batterie al piombo, al nichel e al litio.
L'NCA gode della massima energia specifica; tuttavia, manganese e fosfato sono superiori in termini di potenza specifica e stabilità termica. Il titanato ha la migliore durata.
Per gentile concessione di Cadex
