22 años de personalización de baterías
Mar 23, 2021 Pageview：2614
La batería de óxido de manganato de litio se refiere a la batería que utiliza óxido de manganato de litio como material de ánodo. Su voltaje nominal es de 3,7 V. Es la batería de energía principal en la actualidad. Este tipo de batería tiene una densidad de energía y una vida útil normales. Tiene protección del medio ambiente y ninguna limitación de patente. Pero el óxido de manganato de litio no es muy estable, es un gas fácil de descomponer, puede provocar hinchazón y su rendimiento a altas temperaturas es deficiente.
El óxido de manganato de litio, cuya fórmula química es LiMn2O4 (LCM), es uno de los materiales de ánodos de iones de litio prometedores. En comparación con los materiales de ánodo tradicionales, como los óxidos de cobalto y litio, el óxido de manganato de litio tiene ricos recursos, bajo costo, sin contaminación, buena seguridad y buena capacidad de tasa. Es un material de ánodo ideal para baterías de energía.
El óxido de manganato de litio tiende a ser del tipo espinela. El litio ácido de manganeso y espinela LiMn2O4 es el primer material de ánodo con canal de iones de litio 3D fabricado por Hunter en 1981. Hasta ahora, ha atraído la atención de muchos académicos e investigadores tanto nacionales como extranjeros. Como material de electrodo, tiene un precio bajo y un alto potencial, es respetuoso con el medio ambiente y un buen rendimiento de seguridad, y es el material de ánodo más prometedor de la nueva generación de baterías de iones de litio para reemplazar al LiCoO2.
Los componentes principales del óxido de manganato de litio son el óxido de manganato de litio de espinela y el óxido de manganato de litio de estructura en capas. El modelo de óxido de manganato de litio con estructura de espinela pertenece al sistema cúbico, que es una especie de grupo espacial Fd3m. En la actualidad, el material de ánodo de óxido de manganato de litio de alta capacidad tiene una estructura razonable. Los iones de litio se pueden desprender fácil y reversiblemente de la celosía de espinela, porque la estructura es relativamente segura, no hay riesgo de colapso estructural y la seguridad del producto está garantizada.
1. La estructura en capas LiMnO2 tiene una capacidad teórica de 285mA · h / gy una plataforma de voltaje de 4V. La estructura en capas es difícil de sintetizar y es inestable. Es fácil generar la estructura de espinela Li2Mn2O4, lo que conduce a la disminución de la plataforma de voltaje, la estabilidad deficiente y la disminución irreversible de la capacidad.
2. La espinela LiMn2O4 de alta presión tiene una capacidad teórica de 148mA · h / gy una plataforma de voltaje de 4,15. Su rendimiento a alta temperatura es deficiente y la capacidad tendrá una atenuación importante por encima de los 55 ℃. Es fácil producir la estructura de espinela Li2Mn2O4, lo que conduce a una disminución de la plataforma de voltaje, poca estabilidad, atenuación de capacidad irreversible, etc. Este es el óxido de manganato de litio que se usa actualmente en la industria.
Diagrama de estructura del óxido de manganato de litio de espinela
3.Spinel Li2Mn2O4 tiene depresión eléctrica de 3V, baja capacidad y mala circulación. La gente está estudiando cómo evitar estos problemas.
La batería de óxido de manganato de litio es una batería de iones de litio que utiliza óxido de manganato de litio como ánodo, grafito como cátodo y electrolito con solución orgánica LiPF6. Su voltaje nominal es de 3,7 V. La estructura de la batería de óxido de manganato de litio empaquetada en una carcasa de aluminio se muestra en la siguiente figura:
Estructura del ánodo: LiMn2O4 (óxido de manganato de litio) + agente conductor (acetileno negro) + adhesivo (PVDF) + ánodo colector (papel de aluminio)
Estructura del cátodo: grafito + agente conductor (acetileno negro) + adhesivo (PVDF) + cátodo colector (lámina de cobre)
Separador: una membrana compuesta especial
Caja: dividida en caja de acero y caja de aluminio
Electrolito orgánico
Cubierta superior e inferior
Cuando se carga una batería de óxido de manganato de litio, los iones de litio en el ánodo se desprenden de la red, pasan a través del electrolito a la superficie del cátodo y se incrustan en la capa de grafito. Cuando se descarga, el proceso se invierte. En el proceso de carga y descarga, los iones de litio van entre el ánodo y el cátodo, lo que también se conoce como la batería de la "mecedora".
Diagrama esquemático del principio de funcionamiento de LiMn2O4
Proceso de carga
Cuando la batería es cargada por la fuente de energía, el electrón en el ánodo corre hacia el cátodo desde el circuito externo. El ion de litio (Li +) entra en el electrolito desde el ánodo, pasa a través del pequeño orificio de enrollamiento en el separador, llega al cátodo y se combina con los electrones que ya han pasado.
La reacción en el ánodo: LiMn2O4 == Li1-xMn2O4 + Xli ++ Xe (electrón)
La reacción en el cátodo: 6C + XLi + Xe == LixC6
Proceso de descarga
Cuando la batería se descarga, el electrón en el cátodo corre desde el circuito externo al ánodo, y el ión de litio entra en el electrolito desde el cátodo, pasa a través del pequeño orificio de bobinado en el separador y corre al ánodo y se combina con los electrones. que ya han pasado.
La reacción en el ánodo Li1-xMn2O4 + xli ++ xe (electrón) == LiMn2O4
La reacción en el cátodo LixC6 == 6C + xLi + xe
El óxido de manganato de litio tiene las ventajas de una buena capacidad de velocidad, fácil preparación y bajo costo. La desventaja es que la disolución del manganeso conduce a un rendimiento deficiente a altas temperaturas y un rendimiento de ciclo deficiente. El rendimiento a alta temperatura y el rendimiento del ciclo se mejoran en gran medida al dopar el aluminio y la granulación de sinterización, que básicamente puede cumplir con el uso real. En general, la batería de óxido de manganato de litio tiene un bajo costo, buena estabilidad y un excelente rendimiento a baja temperatura, pero su rendimiento a alta temperatura es pobre y tiene una atenuación ligeramente más rápida.
Los materiales del ánodo tienen bajo costo, buena seguridad y buen rendimiento a baja temperatura, pero el material en sí no es tan estable y fácil de descomponer para producir gas, por lo que tienden a mezclarse con otros materiales para reducir el costo. de baterías. Sin embargo, la atenuación de la vida cíclica es rápida y propensa a abultarse. Su rendimiento a alta temperatura es deficiente y la vida útil del ciclo es relativamente corta. Se utiliza principalmente para baterías de tamaño grande y mediano, batería de alimentación. La tensión nominal es de 3,7 V.
"Óxido de manganato de litio: cátodo de LiMn2O4, ánodo de grafito Abreviatura: LMO o Li-Mn (estructura de espinela), desde 1996 " | |
| Voltaje | 3.70V (3.80V) valor nominal; Rango de funcionamiento típico 3,0-4,2 V / batería |
| energía específica (capacidad) | 100-150 Wh / kg |
| cargo (tasa C) | El valor típico es 0.7-1C, el máximo es 3C, carga a 4.20V (la mayoría de las baterías) |
| descarga (tasa C) | 1 C. Algunas baterías pueden alcanzar 10C, pulso 30C (5s), corte de 2.50V |
| vida en bicicleta | 300-700 (relacionado con la profundidad y temperatura de descarga) |
| escapes térmicos | Los valores típicos son 250 ° C (482 ° F). La carga alta promueve la fuga térmica |
| densidad del grifo （g / cm3） | 2.8 ~ 3.0 |
| superficie específica （m2 / g） | 0,4 ~ 0,6 |
| plataforma de voltaje （V） | 4 |
| metal de transición | abundante |
| costo material | barato |
| protección del medio ambiente | no tóxico |
| rendimiento de seguridad | bien |
| solicitud | Herramientas eléctricas, equipos médicos, tren motriz eléctrico |
El óxido de manganato de litio es uno de los materiales de ánodos de iones de litio prometedores. En comparación con el óxido de cobalto de litio y otros materiales de ánodo tradicionales, el óxido de manganato de litio tiene ventajas de ricos recursos, bajo costo, sin contaminación, buena seguridad y buena capacidad de tasa. Es un material de ánodo ideal para baterías de energía. Por lo tanto, los materiales de los electrodos de las baterías de litio, especialmente los materiales del ánodo de óxido de manganato de litio de nueva generación, tienen un gran potencial en el mercado de las baterías de energía de los vehículos eléctricos. Debido al bajo precio y los ricos recursos del óxido de manganato de litio, es más fácil de producir que los óxidos de cobalto de litio y el niquelato de litio, lo que hará que la batería de iones de litio entre en una nueva era de desarrollo.
Debido a que el material de óxido de manganato de litio tiene características tan distintas, las personas aprovecharán sus ventajas y evitarán sus desventajas. Por lo tanto, la batería de óxido de manganato de litio se aplica en diferentes campos, que generalmente se denominan aplicaciones de clase A y clase B.
La clase A se refiere a la batería de potencia, que se centra en la seguridad y el rendimiento del reciclaje. Se requiere tener una capacidad reversible de 100 ~ 115 mAh / gy mantener el 80% de la capacidad después de 500 ciclos.
La clase B se utiliza principalmente para productos electrónicos de consumo. Se caracteriza por una gran capacidad. Generalmente, se requiere tener una capacidad reversible de 120 mAh / gy mantener el 60% de la capacidad después de 300 ~ 500 ciclos. El diferente rendimiento de estos dos tipos de baterías se realiza en el proceso de producción.
Batería LMO （LiMn2O4）
La batería de óxido de manganato de litio es una batería que utiliza material de óxido de manganato de litio en el ánodo. El voltaje nominal de la batería de óxido de manganato de litio es de 2,5 ~ 4,2 V. La batería de óxido de manganato de litio se usa ampliamente por su bajo costo y buena seguridad.
La batería de óxido de manganeso de litio tiene bajo costo, buena seguridad y buen rendimiento a baja temperatura, pero el material en sí no es tan estable y fácil de descomponer y producir gas, por lo que tiende a usarse con otros materiales para reducir el costo de las baterías. Sin embargo, tiene una rápida atenuación de la vida útil del ciclo y es propenso a abultarse con un rendimiento deficiente a altas temperaturas y una vida relativamente corta. Se utiliza principalmente para baterías de tamaño grande y mediano y baterías de potencia. Su voltaje nominal es de 3,7 V.
NMC （LiNiMnCoO2）
La batería de litio ternaria es una batería de iones de litio que utiliza litio NiCoMnO2 o NCA como ánodo. Las materias primas del material de ánodo compuesto ternario son sal de níquel, sal de cobalto y sal de manganeso. La proporción se puede ajustar según las necesidades reales. La batería con materiales ternarios como ánodo tiene una seguridad relativamente mejor que la batería de óxido de cobalto de litio.
NCM es uno de los materiales clave de la batería de iones de litio. NCM reemplaza más de dos tercios del cobalto por níquel y manganeso más baratos, por lo que tiene una ventaja de costo obvia. En comparación con otros materiales de ánodo de iones de litio, incluidos el manganato de litio y el fosfato de hierro y litio, el NCM y los óxidos de cobalto y litio tienen un rendimiento electroquímico y un rendimiento de procesamiento similares, lo que hace que los materiales NCM sean los nuevos materiales de la batería y reemplacen gradualmente los óxidos de cobalto de litio y se conviertan en la tendencia de la nueva generación de materiales para baterías de iones de litio.
Compare la batería LMO y NMC
OVM no tiene metales preciosos y su precio es relativamente bajo; El NCM es costoso y afecta a las empresas de cobalto (los materiales con alto contenido de níquel reducen los costos de la lista de materiales, pero aumentan los costos del proceso).
La plataforma de voltaje LMO es alta, 3,75 ~ 3,8 V; La plataforma de voltaje NCM es baja, 3.6 ~ 3.7V.
Los OVM con estructura de espinela son relativamente seguros; NCM con estructura en capas es fácil de mezclar litio y níquel, y tiene poca seguridad (cuanto mayor es el porcentaje de Ni, peor es).
En cuanto al volumen de gramos más crítico, el LMO es menor, mientras que el NCM es mayor.
El rendimiento de los OVM a alta temperatura es particularmente deficiente, por lo que el método industrial es el ternario de dopaje de OVM. El porcentaje típico es OVM: NCM = 7: 3 (bajo costo, bicicleta eléctrica), 5: 5 o 3: 7 (camioneta de carga)
Después de agregar LFP, el costo total: OVM puro <LFP≤LMO mezcla NCM <NCM
Promedio de vida
Las características del manganato de litio son más aplicables a: (1) limitación de costos; (2) la densidad de energía tiene un cierto requisito; (3) los requisitos de seguridad no son tan serios en el campo, como bicicletas eléctricas, automóviles de baja velocidad, etc.
El material del ánodo es uno de los materiales clave que determina el rendimiento de las baterías de iones de litio, y también es la principal fuente de iones de litio en las baterías comerciales de iones de litio actuales. Su rendimiento y precio tienen un gran impacto en las baterías de iones de litio. En la actualidad, los materiales de ánodo desarrollados y aplicados incluyen principalmente óxido de litio y cobalto (LCO), óxido de litio y manganeso (LMO), materiales ternarios como óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM), aluminato de litio, níquel y cobalto (NCA), fosfato de hierro y litio ( LFP) y titanato de litio (LTO).
Comparación de rendimiento de varios materiales de ánodo comerciales
| Articulo | LCO | OVM | NCM | NCA | LFP | LTO |
| fórmula química | LiCoO2 | LiMn2O4 | LiNiCoMnO2 | LiNiCoAlO2 | LiFePO4 | Li2TiO3 |
| capacidad teórica (mAh / g) | 274 | 148 | 275 | 275 | 170 | 175 |
| capacidad real (mAh / g) | 140 | 120 | 160 ~ 220 | 180 | 150 | 160 |
| densidad del grifo (g / cm3) | 2.8 | 2.2 | 2.6 | 2.6 | 1 | 1,68 |
| densidad de compactación (g / cm3) | 4.2 | 3 | 3.6 | 3.6 | 2.2 | 2,43 |
| plataforma de voltaje (V) | 3,7 | 4 | 3,5 | 3,5 | 3.3 | 2.4 |
| vida en bicicleta | mejor | peor | ordinario | ordinario | mejor | mejor |
| metal de transición | escaso | mas abundante | mas abundante | mas abundante | mas abundante | escasez |
| los costos de materiales | más caro | barato | costoso | costoso | barato | costoso |
| protección del medio ambiente | contener cobalto | no tóxico | contienen níquel y cobalto | contienen níquel y cobalto | no tóxico | no tóxico |
| rendimiento de seguridad | malo | bien | mejor | mejor | mejor | mejor |
El siguiente diagrama compara las energías específicas de los sistemas de plomo, níquel y litio. Aunque el aluminio de litio (NCA) es el ganador al almacenar más capacidad que otros sistemas, solo es adecuado para el uso de energía en ciertos escenarios. El manganato de litio (LMO) y el fosfato de litio (LFP) son superiores en potencia específica y estabilidad térmica. El titanato de litio (LTO) puede tener una capacidad menor, pero tiene la vida más larga que otras baterías y tiene el mejor rendimiento a baja temperatura.
Energía específica típica de baterías de plomo, níquel y litio
NCA tiene la energía específica más alta; Sin embargo, el manganato de litio y el fosfato de hierro y litio son superiores en potencia y estabilidad térmica. El titanato de litio tiene la mejor vida útil.
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