当前位置: 高倍率锂威尼斯威尼斯人 > 资讯中心 > 行业资讯

锂离子威尼斯分哪几类?锂离子威尼斯的类型先容

来源:batteryuniversity???2020-07-22??阅读数:

本文来源batteryuniversity,帮助你熟悉不同类型的锂离子威尼斯。

锂离子威尼斯以其活性材料而得名;单词全部用化学符号缩写。串在一起的一系列字母和数字可能很难记住,甚至更难以发音,并且威尼斯化学成分也以缩写字母标识。

例如,最常见的锂离子之一的钴酸锂锂的化学符号为LiCoO2和缩写LCO。为简单起见,也可将短型锂钴威尼斯用于此威尼斯。钴是赋予这种威尼斯特性的主要活性材料。其他锂离子化学名称也有相似的简称。本文列出了六种最常见的锂离子威尼斯类型。所有读数均为撰写本文时的平均估计值。

氧化钴锂(LiCoO2)—LCO

钴酸锂的高比能量使其成为手机,笔记本电脑和数码相机的流行选择。该威尼斯由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成。阴极具有层状结构,并且在放电期间,锂离子从阳极移动到阴极。电荷反向流动,钴酸锂的缺点是使用寿命相对较短,热稳定性低以及负载能力(比功率)有限。图1说明了该结构。

锂钴结构
图1:锂钴结构。 阴极具有层状结构。在放电过程中,锂离子从阳极移动到阴极。电荷流从阴极到阳极。 资料来源:Cadex

钴酸锂的缺点是使用寿命相对较短,热稳定性低以及负载能力(比功率)有限。像其他钴混合锂离子一样,锂钴具有石墨阳极,该阳极通过改变固体电解质界面(SEI),在阳极上增稠和镀锂,同时在低温下快速充电和充电来限制循环寿命。较新的系统包括镍,锰和/或铝,以提高使用寿命,装载能力和成本。

锂钴不应以高于其C额定值的电流进行充电和放电。这意味着具有2400mAh的18650威尼斯只能以2400mA进行充电和放电。强制快速充电或施加高于2,400mA的负载会导致过热和过度应力。为了获得最佳的快速充电,制造商建议C速率为0.8C或2,000mA。(什么是威尼斯C速率)。强制性威尼斯保护电路将能量威尼斯的充电和放电速率限制在大约1C的安全水平 。

六角形蜘蛛图形(图2)根据与运行时间相关的比能量或容量总结了锂钴的性能。比功率或输送大电流的能力;安全; 性能在高温和低温下;寿命反映了循环寿命和寿命;和费用。蜘蛛网中未显示的其他令人感兴趣的特性是毒性,快速充电能力,自放电性和保质期。

锂钴失去了锂锰的支撑,但尤其是NMC和NCA,因为钴的高成本和通过与其他活性阴极材料混合而提高了性能。

普通锂钴威尼斯
图2:普通锂钴威尼斯。 锂钴在高比能量方面表现出色,但仅提供中等性能的比功率,安全性和使用寿命。 资料来源:Cadex

汇总表

氧化锂钴: LiCoO2阴极(?60 %Co),石墨阳极

简写:LCO或锂钴。自1991年以来

电压等级 3.60V标称值; 典型工作范围3.0–4.2V / cell
比能量(容量) 比能量(容量) 150–200Wh / kg。特种威尼斯可提供高达240Wh / kg的功率。
充电(C费率) 0.7–1C,充电至4.20V(大多数威尼斯);典型充电时间为3小时。充电电流超过1C会缩短威尼斯寿命。
放电(C速率) 1C; 截止电压为2.50V。放电电流超过1C会缩短威尼斯寿命。
循环寿命 500–1000,与放电深度,负载,温度有关
热失控 150°C。充满电会加剧热失控
应用领域 手机,平板电脑,笔记本电脑,相机
评论 比能量很高,比功率有限。钴很贵。充当能量威尼斯。市场份额稳定。
表3:钴酸锂的特性。

锰酸锂(LiMn2O4)—LMO

含锰尖晶石的锂离子威尼斯于1983年首次发表在《材料研究通报》上。1996年,Moli Energy将锂锰氧化物作为正极材料的锂离子威尼斯商业化。该结构形成三维尖晶石结构,可改善电极上的离子流动,从而降低内部电阻并改善电流处理。尖晶石的另一优点是高热稳定性和增强的安全性,但是循环和压延寿命受到限制。

低内部威尼斯电阻可实现快速充电和大电流放电。在18650封装中,锂锰可以在20-30A的电流下以适度的热量积聚放电。也可以施加高达50A的一秒负载脉冲。在此电流下持续的高负载会导致热量积聚,并且威尼斯温度不能超过80°C。锂锰用于电动工具,医疗仪器以及混合动力和电动汽车。

图4示出了在锂锰威尼斯的阴极上三维晶体骨架的形成。这种尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形组成,并在初始形成后出现。

锂锰结构
图4:锂锰结构。锂锰氧化物的阴极晶体形成具有在初始形成后出现的三维骨架结构。尖晶石具有较低的电阻,但比钴具有适度的比能。 资料来源:Cadex

锂锰的容量大约比锂钴低三分之一。设计的灵活性使工程师可以最大限度地延长威尼斯寿命,以获得最佳寿命(最大寿命),最大负载电流(特定功率)或高容量(特定能量)。例如,18650威尼斯中的长寿命版本仅具有1,100mAh的中等容量;大容量版本为1,500mAh。

图5显示了典型锂锰威尼斯的星形网。这些特性似乎不大,但较新的设计在特定功率,安全性和使用寿命方面有所改进。如今,纯锂锰威尼斯已不再普遍。它们只能用于特殊应用。

纯锂锰威尼斯
图5:纯锂锰威尼斯。 尽管总体性能适中,但较新的锂锰设计在单位功率,安全性和使用寿命方面有所改进。 资料来源:波士顿

大多数锂锰威尼斯都与锂镍锰钴氧化物(NMC)混合使用,以提高比能并延长使用寿命。这种组合在每个系统中都发挥出了最好的性能,而LMO(NMC)被大多数电动汽车所选择,例如Nissan Leaf,Chevy Volt和BMW i3。威尼斯的LMO部分约为30%,可在加速时提供高电流提升;NMC部件可以延长行驶距离。

锂离子研究在将锂锰与钴,镍,锰和/或铝作为活性阴极材料结合方面大有可为。在某些架构中,少量硅被添加到阳极。这样可将容量提高25%;然而,随着硅随着充电和放电而生长和收缩,导致机械应力,增益通常与较短的循环寿命有关。

可以方便地选择这三种活性金属以及硅增强剂,以提高比能量(容量),比功率(负载容量)或寿命。尽管消费威尼斯需要大容量,但工业应用需要具有良好负载能力,使用寿命长且提供安全可靠的威尼斯系统。

汇总表

锰酸锂: LiMn2O4阴极。石墨阳极

简短形式:LMO或锂锰(尖晶石结构)自1996年以来

电压等级 标称值为3.70V(3.80V); 典型工作范围3.0–4.2V / cell
比能量(容量) 100–150Wh / kg
充电(C费率) 典型0.7–1C,最大3C,充电至4.20V(大多数威尼斯)
放电(C速率) 1C; 某些威尼斯可能达到10C,30C脉冲(5s),截止电压为2.50V
循环寿命 300–700(与放电深度,温度有关)
热失控 通常为250°C。高电荷促进热失控
应用领域 电动工具,医疗设备,电动动力总成
评论 大功率但容量较小;比钴酸锂更安全;通常与NMC混合使用以提高性能。
表6:锰酸锂的特性。

锂镍锰钴酸锂(LiNiMnCoO2)— NMC

最成功的锂离子系统之一是镍锰钴(NMC)的阴极组合。类似于锂锰,可以定制这些系统以用作能量威尼斯或动力威尼斯。例如,用于中等负载条件的18650威尼斯中的NMC的容量约为2,800mAh,可提供4A至5A的电流;针对特定功率进行优化的同一威尼斯中的NMC容量仅为2,000mAh,但可提供20A的连续放电电流。硅基阳极将达到4,000mAh及更高,但负载能力降低且循环寿命缩短。添加到石墨中的硅的缺点是阳极随着充放电而增长和收缩,从而使威尼斯机械不稳定。

NMC的秘密在于将镍和锰结合在一起。与此类似的是食盐,其中的主要成分钠和氯化物本身具有毒性,但将它们混合可作为调味盐和食品防腐剂。镍以其高比能而闻名,但稳定性差。锰具有形成尖晶石结构以获得低内阻的优点,但是提供了低比能。金属的结合会彼此增强。

NMC是电动工具,电动自行车和其他电动动力总成的首选威尼斯。阴极组合通常是三分之一的镍,三分之一的锰和三分之一的钴,也称为1-1-1。这提供了独特的共混物,由于减少了钴含量,还降低了原材料成本。另一个成功的组合是NCM,含5份镍,3份钴和2份锰(5-3-2)。使用各种数量的阴极材料的其他组合也是可能的。

由于钴的高成本,威尼斯制造商从钴系统转向了镍阴极。镍基系统比钴基威尼斯具有更高的能量密度,更低的成本和更长的循环寿命,但它们的电压略低。

新的电解质和添加剂可以使威尼斯充电至4.4V / cell或更高,以提高容量。图7展示了NMC的特性。

NMC
图7:NMC。 NMC具有良好的整体性能,并且在单位能量方面表现出色。该威尼斯是电动汽车的首选,并且具有最低的自热率。 资料来源:波士顿

由于可以经济地构建该系统并获得良好的性能,因此向NMC混合锂离子威尼斯迈进了一步。镍,锰和钴这三种活性材料可以轻松混合,以适合需要频繁循环的汽车和储能系统(EES)的广泛应用。NMC系列的多样性在不断增长。

汇总表

锂镍锰钴氧化物: LiNiMnCoO2。阴极,石墨阳极

简写:NMC(NCM,CMN,CNM,MNC,MCN类似,但金属组合不同)自2008年以来

电压等级 3.60V,3.70V标称值; 典型工作范围为3.0–4.2V / cell或更高
比能量(容量) 150–220Wh / kg
充电(C费率) 0.7–1C,充电至4.20V,有些则达到4.30V;典型充电时间为3小时。充电电流超过1C会缩短威尼斯寿命。
放电(C速率) 1C; 在某些威尼斯上可能达到2C;截止电压为2.50V
循环寿命 1000–2000(与放电深度,温度有关)
热失控 通常为210°C。高电荷促进热失控
成本 ?每千瓦时$ 420(资料来源:亚琛工业大学)
应用领域 电动自行车,医疗设备,电动汽车,工业
评论 提供高容量和高功率。充当混合细胞。最喜欢的化学物质有很多用途;市场份额正在增加。
表8:  锂镍锰钴氧化物(NMC )的特性。

磷酸铁锂(LiFePO4)— LFP

1996年,得克萨斯大学(和其他贡献者)发现磷酸盐作为可充电锂威尼斯的正极材料。磷酸锂具有良好的电化学性能,且电阻低。纳米级磷酸盐阴极材料可以做到这一点。主要好处是额定电流高,循环寿命长,以及良好的热稳定性,增强的安全性和滥用(如果被滥用)。

如果长时间保持高压,磷酸锂对全充电条件的耐受性更高,并且与其他锂离子系统相比,压力较小。作为权衡,它的较低标称电压为3.2V / cell,可将比能降低到低于钴共混锂离子的比能。对于大多数威尼斯,低温会降低性能,升高的存储温度会缩短使用寿命,磷酸锂也不例外。磷酸锂威尼斯比其他锂离子威尼斯具有更高的自放电能力,这可能导致老化问题。可以通过购买高质量的威尼斯和/或使用复杂的控制电子设备来减轻这种情况,这两者都会增加威尼斯组的成本。清洁生产对于延长使用寿命至关重要。没有耐湿性,以免威尼斯只能循环50次。图9总结了磷酸锂的属性。

磷酸锂通常用于替代铅酸启动威尼斯。四个串联的威尼斯产生12.80V,与六个串联的2V铅酸威尼斯的电压相似。车辆将铅酸充电至14.40V(2.40V /威尼斯)并保持充电。施加打顶电荷以保持充满电并防止铅酸威尼斯硫酸化。

对于四个串联的磷酸锂威尼斯,每个威尼斯的最高电压为3.60V,这是正确的满充电电压。在这一点上,应该断开充电,但在行驶过程中继续充电。磷酸锂耐某些过充电;但是,如大多数车辆在长途旅行中一样,长时间保持电压在14.40V上,可能会给磷酸锂施加压力。时间将证明使用常规的汽车充电系统替代磷酸锂的耐久性如何。低温还会降低锂离子威尼斯的性能,这在极端情况下可能会影响起动能力。

磷酸锂威尼斯
图9:磷酸锂威尼斯。 磷酸锂具有出色的安全性和较长的使用寿命,但比能适中,自放电率较高。 资料来源:Cadex

汇总表

磷酸铁锂: LiFePO4阴极,石墨阳极                                                   

简写:LFP或磷酸锂自1996年以来

电压等级 3.20、3.30V标称值; 典型工作范围2.5–3.65V / cell
比能量(容量) 90–120Wh / kg
充电(C费率) 典型值为1C,充电至3.65V;典型的3小时充电时间
放电(C速率) 在某些威尼斯上为1C,25C;40A脉冲(2s); 截止电压为2.50V(低于2V会造成损坏)
循环寿命 2000及更高(与放电深度,温度有关)
热失控 270°C(518°F)即使充满电也非常安全的威尼斯
成本 ?每千瓦时$ 580(资料来源:亚琛工业大学)
应用领域 便携式和固定式需要高负载电流和耐久性
评论

电压放电曲线非常平坦,但容量低。最安全的锂离子威尼斯之一。用于特殊市场。高自放电。

表10:磷酸锂铁的特性。

锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)— NCA

自1999年以来,锂镍钴铝氧化物威尼斯(NCA)就已经用于特殊应用。它具有较高的比能量,合理的良好比功率和较长的使用寿命,与NMC具有相似之处。讨人喜欢的是安全性和成本。图11总结了六个关键特征。NCA是锂镍氧化物的进一步发展。添加铝可提高化学稳定性。

NCA
图11:NCA。 高能量和功率密度以及良好的使用寿命使NCA成为EV动力总成的候选人。高成本和边际安全是不利因素。 资料来源:Cadex

汇总表

锂镍钴铝氧化物: LiNiCoAlO2阴极(?9 %Co),石墨阳极

简写:NCA或锂铝。自1999年以来

电压等级 3.60V标称值; 典型工作范围3.0–4.2V / cell
比能量(容量) 200-260Wh / kg; 300Wh / kg可预测
充电(C费率) 0.7C,充电至4.20V(大多数威尼斯),典型值为3h,某些威尼斯可能会快速充电
放电(C速率) 典型值为1C;3.00V截止 高放电率会缩短威尼斯寿命
循环寿命 500(与放电深度,温度有关)
热失控 典型值为150°C,高电荷会促进热失控
成本 ~每千瓦时$ 350(资料来源:亚琛工业大学)
应用领域 工业医疗设备,电力传动系统(Tesla)
评论 与锂钴具有相似之处。充当能量威尼斯。
表12:锂镍钴铝氧化物的特性。

钛酸锂(Li2TiO3)— LTO

自1980年代以来就已经知道具有钛酸锂阳极的威尼斯。钛酸锂代替了典型锂离子威尼斯阳极中的石墨,该材料形成尖晶石结构。阴极可以是锰酸锂或NMC。钛酸锂的标称威尼斯电压为2.40V,可以快速充电,并提供10C的高放电电流,即额定容量的10倍。周期数据称比常规锂离子威尼斯高。钛酸锂是安全的,具有出色的低温放电特性,在–30°C下的容量为80%。

LTO(通常为Li4Ti5O12)具有零应变性能,不形成SEI膜且在低温下快速充电时不镀锂,优于具有石墨阳极的常规钴混合锂离子。高温下的热稳定性也优于其他锂离子系统;但是,威尼斯价格昂贵。仅65Wh / kg,比能量低,可与NiCd媲美。钛酸锂充电至2.80V / cell,放电结束时为1.80V / cell。图13说明了钛酸锂威尼斯的特性。典型用途是电力传动系统,UPS和太阳能路灯。

钛酸锂
图13:钛酸锂。 钛酸锂在安全性,低温性能和使用寿命方面表现出色。人们正在努力改善比能并降低成本。 资料来源:波士顿

汇总表

钛酸锂:  阴极可以是锰酸锂或NMC。Li 2 TiO 3  (钛酸酯)阳极

缩写:LTO或钛酸锂,大约2008年可商购。

 
电压等级 2.40V标称值; 典型工作范围为1.8–2.85V /威尼斯
比能量(容量) 50–80Wh / kg
充电(C费率) 典型值为1C;最高5C,充电至2.85V
放电(C速率) 10C可能,30C 5s脉冲; LCO / LTO上的1.80V截止
循环寿命 3,000–7,000
热失控 最安全的锂离子威尼斯之一
成本 每千瓦时~1,005美金(来源:亚琛工业研究中心)
应用领域 UPS,电动动力总成(三菱i-MiEV,本田飞度EV),太阳能路灯
评论 寿命长,充电快,温度范围宽,但比能量低且价格昂贵。最安全的锂离子威尼斯中。
表14:钛酸锂的特性。

未来威尼斯

固态锂离子:高比能,但负载和安全性较差。

锂硫:高比能,但循环寿命低,负荷低

锂空气:高比能,但负荷低,需要呼吸的清洁空气,寿命短。

图15比较了铅,镍和锂基系统的比能。尽管锂铝(NCA)通过存储比其他系统更多的容量而成为明显的赢家,但这仅适用于特定的能源。就比功率和热稳定性而言,锂锰(LMO)和磷酸锂(LFP)优越。钛酸锂(LTO)的容量可能较低,但这种化学成分在使用寿命方面比大多数其他威尼斯都要长,并且具有最佳的低温性能。朝电动动力总成方向发展,安全性和循环寿命将占主导地位。(LCO代表原始锂离子锂钴。)

铅,镍和锂基威尼斯的典型比能
图15:铅,镍和锂基威尼斯的典型比能。 NCA具有最高的比能量;但是,锰和磷酸盐在比功率和热稳定性方面是优越的。钛酸锂的寿命最长。 由Cadex提供

声明:威尼斯人部分图片、内容来源于网络,不代表威尼斯人观点,如有侵权,请联系删除,谢谢!
XML 地图 | Sitemap 地图