Seis características y parámetros comunes de la batería de litio

Los parámetros específicos de las baterías de una misma ruta técnica no son exactamente los mismos. En este artículo se muestra el nivel general de los parámetros actuales. Las seis baterías de litio incluyen específicamente: óxido de litio y cobalto (LiCoO2), manganato de litio (LiMn2O4), óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (LiNiMnCoO2 o NMC), aluminato de litio y cobalto y aluminio (LiNiCoAlO2 o NCA), fosfato de hierro y litio (LiFePO4). (Li4Ti5O12).

Cobalto-litio ácido (LiCoO2)

Su alta energía específica hace que el óxido de cobalto y litio sea una opción popular para teléfonos móviles, computadoras portátiles y cámaras digitales. La batería consta de un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de carbono de grafito. El cátodo tiene una estructura en capas en la que los iones de litio se mueven desde el ánodo al cátodo durante la descarga, y el proceso de carga fluye en la dirección opuesta.

El cátodo tiene una estructura en capas. Durante la descarga, los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo; durante la carga, el flujo fluye desde el cátodo al ánodo.

Extremadamente, su ciclo de vida está limitado principalmente por la interfaz de electrolito sólido (SEI), principalmente en el engrosamiento gradual de la película SEI, y el problema de recubrimiento del ánodo del proceso de carga rápida o carga a baja temperatura. Los sistemas de materiales más nuevos agregan níquel, manganeso y / o aluminio para aumentar la vida útil, la capacidad de carga y reducir los costos. El cobaltato de litio no debe cargarse ni descargarse a una corriente superior a la capacidad. Esto significa que una batería 18650 con 2400 mAh solo se puede cargar y descargar a 2400 mA o menos. Forzar una carga rápida o aplicar una carga superior a 2400 mA puede provocar sobrecalentamiento y sobrecarga. Para obtener la mejor carga rápida, el fabricante recomienda una tasa de carga de 0,8 ° C o aproximadamente 2000 mA. El circuito de protección de la batería limita la velocidad de carga y descarga de la unidad de energía a un nivel seguro de aproximadamente 1 ° C. El mapa de araña hexagonal (Figura 2) resume los aspectos específicos de energía o capacidad del desempeño del cobaltato de litio asociado con la operación; potencia o capacidad específica para proporcionar grandes corrientes; seguridad; rendimiento en entornos de alta y baja temperatura; vida útil, incluida la vida útil del calendario y el ciclo de vida; características de costos. Otras características importantes que no se muestran en el mapa de araña incluyen toxicidad, capacidad de carga rápida, autodescarga y vida útil. Debido al alto costo del cobalto y a las importantes mejoras de rendimiento que se obtienen al mezclar materiales con otros materiales de cátodos activos, el óxido de cobalto de litio está siendo reemplazado gradualmente por manganato de litio, especialmente NMC y NCA (consulte la descripción en el anverso de la NMC y NCA.)

El litio ácido de cobalto se destaca por su alta energía específica, pero en las características de potencia, la seguridad y el ciclo de vida pueden proporcionar un rendimiento general.

Ácido de litio y manganeso (LiMn2O4)

La batería de manganato de litio de espinela se publicó por primera vez en un informe de investigación de materiales de 1983. En 1996, Moli Energy comercializó baterías de iones de litio con manganato de litio como material catódico. La arquitectura forma una estructura de espinela tridimensional que mejora el flujo de iones en los electrodos, reduce la resistencia interna y mejora la capacidad de transporte de corriente. Otra ventaja de la espinela es su alta estabilidad térmica y seguridad mejorada, pero ciclo y vida de calendario limitados. La baja resistencia interna de la batería permite una carga rápida y una descarga de alta corriente. Batería tipo 18650, la batería de manganato de litio puede descargarse a 20-30 A y tiene una acumulación de calor moderada. También es posible aplicar un pulso de carga de hasta 50A1 segundos. Las cargas elevadas continuas a esta corriente pueden provocar la acumulación de calor y la temperatura de la batería no debe superar los 80 ° C (176 ° F). El manganato de litio se utiliza en herramientas eléctricas, dispositivos médicos y vehículos híbridos y eléctricos puros. La Figura 4 ilustra la formación de un esqueleto de cristal tridimensional en el cátodo de una batería de manganato de litio. La estructura de espinela generalmente se compone de una forma de diamante conectada a una red cristalina, que generalmente ocurre después de que se forma la batería.

Cristalización del cátodo de litio y ácido de manganeso en forma después de una estructura de marco tridimensional. La espinela proporciona baja resistencia, pero la energía específica es menor que la del litio y ácido cobalto.

El ácido de litio y manganeso tiene una capacidad de aproximadamente un tercio más baja que el litio del ácido de cobalto. La flexibilidad de diseño permite a los ingenieros elegir el mejor terreno para prolongar la vida útil de la batería, o actualizar la capacidad de la corriente de carga máxima (potencia), o (más). Por ejemplo, 18650 de larga duración de la versión de la batería solo una capacidad moderada de 1100 mAh; Versión de alta capacidad 1500mAh. Estos parámetros de funciones no parecen ideales, pero el nuevo diseño en cuanto a potencia, seguridad y vida ha mejorado. Las baterías de manganato de litio ya no son comunes en la actualidad; solo se utilizan en casos especiales.

A pesar del rendimiento general, un nuevo diseño puede mejorar la potencia, la seguridad y la longevidad del litio-ácido manganeso.

La mayor parte del manganato de litio se mezcla con óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) para aumentar la energía específica y prolongar la vida útil. Esta combinación brinda el mejor rendimiento de cada sistema, y la mayoría de los vehículos eléctricos, como el Nissan Leaf, el Chevrolet Volt y el BMW i3, usan LMO (NMC). La parte LMO de la batería puede alcanzar aproximadamente el 30%, lo que puede proporcionar una corriente más alta durante la aceleración; la parte NMC proporciona un largo alcance de crucero. La investigación sobre baterías de iones de litio tiende a combinar manganato de litio con cobalto, níquel, manganeso y / o aluminio como material de cátodo activo. En algunas arquitecturas, se agrega una pequeña cantidad de silicio al ánodo. Esto proporciona un aumento de capacidad del 25%; sin embargo, el silicio se expande y contrae con la carga y la descarga, lo que provoca estrés mecánico, que a menudo está estrechamente relacionado con un ciclo de vida corto. Estos tres metales activos y el refuerzo de silicio se pueden seleccionar convenientemente para aumentar la energía específica (capacidad), la potencia específica (capacidad de carga) o la vida útil. Las baterías de consumo requieren una gran capacidad, mientras que las aplicaciones industriales requieren sistemas de baterías, tienen una buena capacidad de carga, una larga vida útil y brindan un servicio seguro y confiable.

Litio ácido de níquel cobalto manganeso (LiNiMnCoO2 o NMC)

Uno de los sistemas de iones de litio de mayor éxito es la combinación de cátodos de níquel, manganeso y cobalto (NMC). Similar al manganato de litio, este sistema se puede personalizar para usar como batería de energía o batería de energía. Por ejemplo, un NMC en una batería 18650 en condiciones de carga media tiene una capacidad de aproximadamente 2800 mAh y puede proporcionar una corriente de descarga de 4 A a 5 A; el mismo tipo de NMC está optimizado para una potencia específica con una capacidad de solo 2000 mAh, pero está disponible una corriente de descarga continua de 20 A. El ánodo a base de silicio alcanzará 4000 mAh o más, pero la capacidad de carga se reduce y el ciclo de vida se acorta. El silicio agregado al grafito tiene el defecto de que el ánodo se expande y contrae con la carga y descarga, por lo que la tensión mecánica de la batería es en gran medida inestable. El secreto de NMC radica en la combinación de níquel y manganeso. Similar a esta es la sal, en la que los componentes principales sodio y cloruro son tóxicos en sí mismos, pero se mezclan como sal condimentada y conservante de alimentos. El níquel es conocido por su alta energía específica, pero su estabilidad es pobre; la estructura de espinela de manganeso puede lograr una resistencia interna baja pero una energía específica baja. Los dos metales activos tienen ventajas complementarias.

La NMC es la batería preferida para herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y otros sistemas de energía eléctrica. La combinación del cátodo es típicamente un tercio de níquel, un tercio de manganeso y un tercio de cobalto, también conocido como 1-1-1. Esto proporciona una mezcla única que también reduce los costos de materia prima debido al contenido reducido de cobalto. Otra combinación exitosa es NCM, que contiene 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto y 2 partes de manganeso (5-3-2). También se pueden usar otras cantidades diferentes de combinaciones de materiales de cátodo. Debido al alto costo del cobalto, los fabricantes de baterías han cambiado de cátodos de cobalto a níquel. Los sistemas a base de níquel tienen una densidad de energía más alta, un costo más bajo y una vida útil más larga que las baterías a base de cobalto, pero sus voltajes son ligeramente más bajos. Los nuevos electrolitos y aditivos pueden cargar una sola batería a más de 4,4 V, lo que aumenta la potencia.

La página contiene el contenido de la traducción automática.