شش نوع رایج باتری لیتیوم و پارامترهای عملکرد اصلی آنها

ما اغلب در مورد باتری های لیتیوم سه گانه یا باتری های لیتیوم آهن صحبت می کنیم، که برای باتری های لیتیوم به نام مواد فعال کاتود نامیده می شوند.این مقاله شش نوع رایج باتری لیتیوم و پارامترهای عملکرد اصلی آنها را خلاصه می کندهمانطور که همه ما می دانیم، همان مسیر فنی سلول، پارامترهای خاص دقیقا یکسان نیستند، این مقاله سطح کلی پارامترهای فعلی را نشان می دهد.شش باتری لیتیوم شامل: اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2) ، منگانات لیتیوم منگنز (LiMn2O4) ، منگانات نیکل لیتیوم-کوبالت (LiNiMnCoO2 یا NMC) ، آلومینات نیکل لیتیوم-کوبالت (LiNiCoAlO2 یا NCA)فوسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) و تیتانات لیتیوم (Li4Ti5O12).

لیتیوم کوبالت اکسید (LiCoO2) انرژی خاص بالا آن باعث می شود لیتیوم کوبالت اکسید یک انتخاب محبوب برای تلفن های همراه، لپ تاپ ها و دوربین های دیجیتال باشد.باتری شامل یک کاتود آکسید کوبالت و یک آنود گرافیتی کربن استکاتود دارای ساختار لایه دار است، که در طی آن یون های لیتیوم از آنود به کاتود حرکت می کنند و فرآیند شارژ در جهت مخالف جریان می یابد. کاتود دارای ساختار لایه دار است.در طول تخليه، یون های لیتیوم از آنود به کاتود حرکت می کنند؛ جریان از کاتود به آنود در طول شارژ. معایب اکسید کبالت لیتیوم زندگی نسبتا کوتاه آن است،ثبات حرارتی پایین و ظرفیت بار محدود (قدرت خاص)مانند سایر باتری های لیتیوم یون هیبریدی کوبالت، اکسید لیتیوم کوبالت از آنود گرافیت استفاده می کند و عمر چرخه آن عمدتاً توسط رابط الکترولیت جامد (SEI) محدود می شود.عمدتا در ضخامت تدریجی فیلم SEI منعکس می شود، و پوشش لیتیوم آنود در فرآیند شارژ سریع یا فرآیند شارژ دمای پایین. سیستم های جدیدتر مواد نیکل، منگنز و / یا آلومینیوم را برای بهبود عمر اضافه می کنند،ظرفیت بارگذاری و کاهش هزینه هااکسید لیتیوم کوبالت نباید با جریان بالاتر از ظرفیت شارژ و تخلیه شود.400mAh فقط می تواند شارژ و تخلیه شود در کمتر از یا برابر با 2۴۰۰mA. شارژ سریع اجباری یا اعمال بار بالاتر از ۲۴۰۰mA می تواند باعث گرم شدن بیش از حد و استرس بیش از حد شود. برای شارژ سریع بهینه، تولید کننده یک ضریب شارژ صفر را توصیه می کند.8C یا حدود 2مدار حفاظت از باتری سرعت شارژ و تخلیه واحد انرژی را به سطح ایمنی حدود 1C محدود می کند.

باتری منگانات لیتیوم (LiMn2O4) برای اولین بار در سال 1983 منتشر شد. در سال 1996 ، Moli Energy باتری های لیتیوم یون را با اکسید منگان لیتیوم به عنوان ماده کاتود تجاری کرد.معماری یک ساختار اسپینل سه بعدی را تشکیل می دهد که جریان یون را بر روی الکترود ویک مزیت دیگر اسپینل است ثبات حرارتی بالا، ایمنی بهبود یافته،اما چرخه محدود و عمر تقویممقاومت داخلی باتری پایین امکان شارژ سریع و تخلیه جریان بالا را فراهم می کند. سلول های نوع 18650، باتری های لیتیوم منگانات می توانند در جریان 20-30A تخلیه شوند،با جمع آوری گرمای متوسطهمچنین می توان تا 50A1 ثانیه پالس بارگذاری را اعمال کرد. بارگذاری مداوم بالا در این جریان باعث می شود که گرما ایجاد شود و دمای باتری نمی تواند بیش از 80 ° C (176 ° F) باشد.منگانات لیتیوم در ابزار الکتریکی استفاده می شود، دستگاه های پزشکی و همچنین وسایل نقلیه هیبریدی و الکتریکی خالص.طراحی انعطاف پذیر به مهندسان اجازه می دهد تا برای به حداکثر رساندن عمر باتری انتخاب کنند، یا برای افزایش حداکثر جریان بار (قدرت خاص) یا ظرفیت (انرژی خاص). به عنوان مثال، نسخه طول عمر باتری 18650 فقط دارای ظرفیت متوسط 1,100mAh است.نسخه با ظرفیت بالا دارای 1500 میلی آمپر

بیشتر اکسید منگنز لیتیوم با اکسید لیتیوم نیکل-منگنز کوبالت (NMC) مخلوط می شود تا انرژی خاص را افزایش دهد و عمر را افزایش دهد. این ترکیب بهترین عملکرد را برای هر سیستم ارائه می دهد،و اکثر وسایل نقلیه الکتریکی، مانند نیسان لیف ، شورولت و بی ام و آی 3 ، دارای LMO (NMC) هستند. بخش LMO باتری می تواند حدود 30٪ را به دست آورد که می تواند جریان زیادی را در هنگام شتاب بخشیدن فراهم کند.و بخش NMC طیف وسیعی ازمطالعات باتری لیتیوم یون تمایل به ترکیب اکسید لیتیوم منگنز با کوبالت، نیکل، منگنز و / یا آلومینیوم به عنوان مواد کاتد فعال دارد.مقدار کمی سیلیکون به آنود اضافه می شوداین امر باعث افزایش ظرفیت 25٪ می شود؛ با این حال، سیلیکون با شارژ و تخلیه گسترش می یابد و انقباض می کند و باعث استرس مکانیکی می شود.و افزایش ظرفیت اغلب به طور نزدیک با زندگی چرخه کوتاه مرتبط استاین سه فلز فعال و تقویت سیلیکون را می توان به راحتی انتخاب کرد تا انرژی خاص (قدرت) ، قدرت خاص (قدرت بار) یا عمر را بهبود بخشد.,در حالی که کاربردهای صنعتی نیاز به سیستم های باتری دارند، با ظرفیت بار خوب، عمر طولانی، و ارائه خدمات ایمن و قابل اعتماد.

یکی از موفق ترین سیستم های لیتیوم یون لیتیوم نیکل-کوبالت-مانگنز-مانگانات (LiNiMnCoO2 یا NMC) ترکیب کاتود نیکل-نیکل-مانگنز-کوبالت (NMC) است.مشابه لیتیوم منگانات، سیستم را می توان به عنوان یک باتری انرژی یا یک باتری قدرت سفارشی کرد. به عنوان مثال NMC در یک باتری 18650 در شرایط بار متوسط دارای ظرفیت حدود 2،800mAh و می تواند جریان تخلیه 4A تا 5A را فراهم کندهمان نوع NMC برای یک قدرت خاص با ظرفیت تنها 2000mAh بهینه شده است، اما می تواند جریان تخلیه مداوم 20A را فراهم کند. آنود مبتنی بر سیلیکون به بیش از 4000mAh می رسد،اما ظرفیت بار کاهش می یابد و عمر چرخه کوتاه می شودسیلیکون اضافه شده به گرافیت دارای نقص است، یعنی آنود با شارژ و تخلیه گسترش می یابد و تراکم می کند، ساختارهای فشارهای مکانیکی بزرگ باتری را ناپایدار می کند.راز NMC ترکیب نیکل و منگنز استمثل نمک آشپزخانه، که مواد اصلی آن، سدیم و کلرید، خودشان سمی هستند، اما به عنوان نمک های طعم دهنده و نگهدارنده مواد غذایی مخلوط می شوند.نیکل به خاطر انرژی خاص بالایی که دارد شناخته شده است، اما ثبات ضعیف دارد؛ ساختار اسپینل منگنز مقاومت داخلی پایین اما انرژی خاص پایین تر را به دست می آورد. این دو فلز فعال دارای مزایای مکمل هستند.NMC باتری انتخاب شده برای ابزار الکتریکی استترکیب کاتودیک معمولا یک سوم نیکل، یک سوم منگنز و یک سوم کوبالت است که به عنوان 1-1-1 نیز شناخته می شود.این یک مخلوط منحصر به فرد را فراهم می کند که همچنین به دلیل کاهش محتوای کوبالت، هزینه های مواد اولیه را کاهش می دهد.ترکیب موفقیت آمیز دیگر NCM بود که حاوی 5 قسمت از نیکل، 3 قسمت از کوبالت و 2 قسمت از منگنز (5 3-2) بود.همچنین می توان از ترکیبات دیگر مواد کاتودی با مقادیر مختلف استفاده کرد.به دلیل هزینه بالای کوبالت، سازندگان باتری از کوبالت به کاتود نیکل تغییر کردند. سیستم های مبتنی بر نیکل دارای تراکم انرژی بالاتر، هزینه پایین تر،و عمر چرخه ای طولانی تر از باتری های مبتنی بر کوبالت، اما آنها ولتاژ کمی پایین تر دارند.

فوسفات آهن لیتیوم (LiFePO 4) در سال 1996، دانشگاه تگزاس دریافت که فوسفات می تواند به عنوان یک ماده کاتود برای باتری های لیتیوم قابل شارژ استفاده شود.فسفات لیتیوم دارای خواص الکتروشیمیکی خوب و مقاومت پایین استاین کار با استفاده از یک ماده کاتد فوسفات در مقیاس نانو انجام می شود. مزیت های اصلی آن جریان نامگذاری بالا و عمر چرخه طولانی، ثبات حرارتی خوب، ایمنی بیشتر و تحمل سوء استفاده است.اگر به مدت طولانی در ولتاژ بالا نگهداری شوداز آنجایی که لیتیوم فسفات در تمام شرایط شارژ تحمل بیشتری دارد و نسبت به سایر سیستم های لیتیوم یون استرس کمتری دارد، معایب آن این است که 3.ولتاژ اسمی باتری 2 ولت باعث می شود که انرژی خاص کمتر از باتری های لیتیوم یون با کوبالت باشدبرای اکثر باتری ها، دمای پایین عملکرد را کاهش می دهد، افزایش دمای ذخیره سازی عمر خدمت را کوتاه می کند و لیتیوم فسفات نیز استثنا نیست.فوسفات لیتیوم دارای خود تخلیه بالاتر از سایر باتری های لیتیوم یون است، که می تواند باعث مشکلات پیری و تعادل بیشتر شود که می تواند با استفاده از باتری های با کیفیت بالا یا استفاده از سیستم های مدیریت باتری پیشرفته جبران شود،اما هر دو روش هزینه باتری را افزایش می دهند.عمر باتری بسیار حساس به ناخالصی ها در فرآیند تولید است و نمی تواند در برابر استفاده از آب مقاومت کند.برخی از باتری ها حداقل عمر 50 چرخه دارندشکل 9 ویژگی های فوسفات لیتیوم را خلاصه می کند. فوسفات لیتیوم معمولاً به جای باتری های استارتر اسید سرب استفاده می شود.با ولتاژ مشابه شش سلول سرب اسید 2 ولت در سریخودرو اسید سرب را به باتری 14.40V (2.40V / باتری) شارژ می کند و شارژ شده شناور باقی می ماند.هدف از شارژ شناور حفظ سطح شارژ کامل و جلوگیری از سولفاسیون باتری های سرب اسید است.

باتری های لیتیوم نیکل کوبالت آلومینیات (LiNiCoAlO2 یا NCA) از سال 1999 استفاده می شود.قدرت خاص بسیار خوب و عمر طولانی مشابه NMC استکم تر از اين هم از نظر امنيت و هزينه خوشمزه است.

لیتیوم تیتانات (Li4Ti5O12) باتری های آنود لیتیوم تیتانات از دهه 1980 شناخته شده اند. لیتیوم تیتانات جایگزین گرافیت در آنود یک باتری یون لیتیوم معمولی می شود.و ماده ساختار اسپینل را تشکیل می دهدکاتود می تواند منگانات لیتیوم یا NMC باشد. تیتانات لیتیوم ولتاژ باتری اسمی 2.40V دارد که می تواند به سرعت شارژ شود و جریان تخلیه بالایی از 10C را فراهم می کند.گفته می شود تعداد چرخه ها بیشتر از باتری های لیتیوم یون معمولی است.تیتانات لیتیوم ایمن است و دارای خواص تخلیه درجه حرارت پایین عالی است و به 80٪ از ظرفیت در 30 درجه سانتیگراد (-22 درجه فارنهایت) می رسد. LTO (معمولا Li4Ti5O12) دارای فشار صفر است.هیچ گونه تشکیل غشا SEI و هیچ پدیده الکتروپلاستی لیتیوم در طول شارژ سریع و شارژ دمای پایین وجود ندارد، بنابراین عملکرد شارژ و تخلیه بهتری نسبت به آنود لیتیوم یون و گرافیت مخلوط کبالت سنتی دارد. ثبات حرارتی در دمای بالا نیز نسبت به سایر سیستم های لیتیوم یون بهتر است.با این حالباتری های لیتیوم گران قیمت هستند. انرژی خاص کم است، فقط 65 وات / کیلوگرم، قابل مقایسه با NiCd. لیتیوم تیتانات به 2.80 و 1.80 ولت در تخلیه شارژ می شود.شکل 13 ویژگی های باتری های لیتیوم تیتانات را نشان می دهداستفاده های معمول یک محرک الکتریکی، UPS و چراغ های خیابانی خورشیدی است. NCA از بالاترین انرژی خاص برخوردار است؛ با این حال،منگانات لیتیوم و فسفات آهن لیتیوم قدرت خاص و ثبات حرارتی برتر را فراهم می کنند.تيتانات ليتيوم بهترين عمر خدمت رو داره