Arten von Lithium-Ionen

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Lithium-Ion wird nach seinen aktiven Materialien benannt. Die Wörter werden entweder vollständig geschrieben oder durch ihre chemischen Symbole verkürzt. Eine Reihe von Buchstaben und Zahlen, die aneinandergereiht sind, ist schwer zu merken und noch schwieriger auszusprechen. Batteriechemien werden auch in abgekürzten Buchstaben angegeben.

Beispielsweise hat Lithiumkobaltoxid, eines der häufigsten Li-Ionen, die chemischen Symbole LiCoO ₂ und die Abkürzung LCO. Der Einfachheit halber kann für diese Batterie auch die Kurzform Li-Kobalt verwendet werden. Kobalt ist das wichtigste aktive Material, das diesem Batteriecharakter verleiht. Andere Li-Ion-Chemikalien erhalten ähnliche Kurznamen. Dieser Abschnitt listet sechs der häufigsten Li-Ionen auf. Alle Messwerte sind Durchschnittsschätzungen zum Zeitpunkt des Schreibens.

Lithiumkobaltoxid (LiCoO ₂ )

Aufgrund seiner hohen spezifischen Energie ist Li-Cobalt die beliebteste Wahl für Mobiltelefone, Laptops und Digitalkameras. Die Batterie besteht aus einer Kobaltoxidkathode und einer Graphitkohlenstoffanode. Die Kathode hat eine Schichtstruktur und während der Entladung bewegen sich Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Der Fluss kehrt sich beim Aufladen um. Der Nachteil von Li-Kobalt ist eine relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Belastbarkeit (spezifische Leistung). Abbildung 1 veranschaulicht die Struktur.

Der Nachteil von Li-Kobalt ist eine relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Belastbarkeit (spezifische Leistung). Wie andere mit Kobalt vermischte Li-Ionen besitzt Li-Kobalt eine Graphitanode, die die Lebensdauer des Zyklus durch eine wechselnde Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) , Verdickung der Anode und Lithiumplattierung begrenzt, während schnell geladen und bei niedriger Temperatur geladen wird. Neuere Systeme umfassen Nickel, Mangan und / oder Aluminium, um die Lebensdauer, Ladefähigkeit und Kosten zu verbessern.

Li-Kobalt sollte nicht mit einem Strom aufgeladen und entladen werden, der höher als sein C-Wert ist. Dies bedeutet, dass eine 18650-Zelle mit 2.400 mAh nur bei 2.400 mA geladen und entladen werden kann. Das Erzwingen einer Schnellladung oder das Anlegen einer Last von mehr als 2.400 mA führt zu Überhitzung und übermäßiger Belastung. Für eine optimale Schnellladung empfiehlt der Hersteller eine C-Rate von 0,8 ° C oder etwa 2.000 mA. (Siehe BU-402: Was ist die C-Rate? ). Die vorgeschriebene Batterie-Schutzschaltung begrenzt die Lade- und Entladegeschwindigkeit für die Energiezelle auf ungefähr 1 ° C.

Die sechseckige Spinnengrafik (Abbildung 2) fasst die Leistung von Li-Cobalt in Bezug auf die spezifische Energie oder Kapazität in Bezug auf die Laufzeit zusammen. spezifische Leistung oder die Fähigkeit, hohen Strom zu liefern; Sicherheit; Leistung bei heißen und kalten Temperaturen; Lebensdauer spiegelt die Lebensdauer und die Lebensdauer des Zyklus wider; und Kosten . Andere in den Spinnennetzen nicht gezeigte Merkmale von Interesse sind Toxizität, Schnellladefähigkeit, Selbstentladung und Haltbarkeit. (Siehe BU-104c: Die Octagon-Batterie - Was macht eine Batterie zur Batterie ).

Das Li-Kobalt verliert gegenüber Li-Mangan, vor allem aber NMC und NCA, wegen der hohen Kosten für Kobalt und der verbesserten Leistung durch Vermischen mit anderen aktiven Kathodenmaterialien. (Siehe Beschreibung der NMC und NCA weiter unten.)

Übersichtstabelle

Tabelle 3: Eigenschaften von Lithiumkobaltoxid.

Lithium-Manganoxid (LiMn ₂ O ₄ )

Li-Ion mit Mangan-Spinell wurde erstmals 1983 im Materials Research Bulletin veröffentlicht. 1996 kommerzialisierte Moli Energy eine Li-Ion-Zelle mit Lithium-Mangan-Oxid als Kathodenmaterial. Die Architektur bildet eine dreidimensionale Spinellstruktur, die den Ionenfluss auf der Elektrode verbessert, was zu einem geringeren Innenwiderstand und verbessertem Stromhandling führt. Ein weiterer Vorteil von Spinell ist eine hohe thermische Stabilität und erhöhte Sicherheit, jedoch sind Zyklus- und Kalenderlebensdauer begrenzt.

Ein niedriger interner Zellenwiderstand ermöglicht schnelles Laden und Entladen mit hohem Strom. In einem 18650-Gehäuse kann Li-Mangan bei einer Strömung von 20–30 A mit mäßiger Wärmeentwicklung abgeführt werden. Es ist auch möglich, Ein-Sekunden-Lastimpulse von bis zu 50 A anzulegen. Eine dauerhaft hohe Belastung bei diesem Strom würde zu einem Wärmestau führen und die Zellentemperatur darf 80 ° C (176 ° F) nicht überschreiten. Li-Mangan wird für Elektrowerkzeuge, medizinische Instrumente sowie Hybrid- und Elektrofahrzeuge verwendet.

Fig. 4 veranschaulicht die Bildung eines dreidimensionalen kristallinen Rahmens auf der Kathode einer Li-Mangan-Batterie. Diese Spinellstruktur, die normalerweise aus zu einem Gitter verbundenen Diamantformen besteht, erscheint nach der anfänglichen Bildung.

Li-Mangan hat eine um etwa ein Drittel geringere Kapazität als Li-Cobalt. Durch die Flexibilität des Designs können Ingenieure die Batterie für optimale Lebensdauer (Lebensdauer), maximalen Laststrom (spezifische Leistung) oder hohe Kapazität (spezifische Energie) maximieren. Zum Beispiel hat die langlebige Version in der 18650-Zelle eine moderate Kapazität von nur 1.100 mAh; Die Version mit hoher Kapazität ist 1.500 mAh.

Abbildung 5 zeigt das Spinnennetz einer typischen Li-Mangan-Batterie. Die Eigenschaften erscheinen geringfügig, aber neuere Konstruktionen haben sich in Bezug auf spezifische Leistung, Sicherheit und Lebensdauer verbessert. Reine Li-Mangan-Batterien sind heute nicht mehr üblich. Sie dürfen nur für spezielle Anwendungen verwendet werden.

Die meisten Li-Mangan-Batterien vermischen sich mit Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC), um die spezifische Energie zu verbessern und die Lebensdauer zu verlängern. Diese Kombination bringt das Beste aus jedem System heraus und der LMO (NMC) wird für die meisten Elektrofahrzeuge wie Nissan Leaf, Chevy Volt und BMW i3 ausgewählt. Der LMO-Teil der Batterie, der etwa 30 Prozent betragen kann, sorgt für eine hohe Stromverstärkung beim Beschleunigen. Der NMC-Teil gibt die lange Reichweite an.

Die Li-Ionen-Forschung ist stark darauf ausgerichtet, Li-Mangan mit Kobalt, Nickel, Mangan und / oder Aluminium als aktivem Kathodenmaterial zu kombinieren. In einigen Architekturen wird der Anode eine kleine Menge Silizium zugesetzt. Dies bietet eine Steigerung der Kapazität um 25 Prozent. Die Verstärkung ist jedoch im Allgemeinen mit einer kürzeren Zykluslebensdauer verbunden, da Silizium mit Ladung und Entladung wächst und schrumpft, was zu mechanischen Spannungen führt.

Diese drei aktiven Metalle sowie die Verbesserung des Siliziums können bequem gewählt werden, um die spezifische Energie (Kapazität), die spezifische Leistung (Belastbarkeit) oder die Lebensdauer zu erhöhen. Während Verbraucherbatterien für eine hohe Kapazität ausgelegt sind, erfordern industrielle Anwendungen Batteriesysteme, die über gute Ladefähigkeiten verfügen, eine lange Lebensdauer bieten und einen sicheren und zuverlässigen Service bieten.

Übersichtstabelle

Tabelle 6: Eigenschaften von Lithium-Manganoxid

Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO ₂ oder NMC)

Eines der erfolgreichsten Li-Ion-Systeme ist eine Kathodenkombination von Nickel-Mangan-Kobalt (NMC). Ähnlich wie Li-Mangan können diese Systeme als Energiezellen oder als Energiezellen konzipiert werden . Zum Beispiel hat NMC in einer 18650-Zelle für moderate Lastbedingungen eine Kapazität von etwa 2.800 mAh und kann 4 A bis 5 A liefern; NMC in derselben Zelle, die für spezifische Leistung optimiert ist, hat eine Kapazität von nur etwa 2.000 mAh, liefert jedoch einen kontinuierlichen Entladungsstrom von 20 A. Eine siliziumbasierte Anode erreicht 4.000 mAh und mehr, jedoch bei geringerer Belastbarkeit und kürzerer Lebensdauer. Dem Graphit zugesetztes Silizium hat den Nachteil, dass die Anode mit Ladung und Entladung wächst und schrumpft, wodurch die Zelle mechanisch instabil wird.

Das Geheimnis von NMC liegt in der Kombination von Nickel und Mangan. Eine Analogie hiervon ist das Tafelsalz, in dem die Hauptbestandteile Natrium und Chlorid selbst toxisch sind, das Mischen jedoch als Gewürzsalz und Lebensmittelkonservierer dient. Nickel ist bekannt für seine hohe spezifische Energie, jedoch für eine schlechte Stabilität. Mangan hat den Vorteil, eine Spinellstruktur zu bilden, um einen niedrigen Innenwiderstand zu erreichen, bietet jedoch eine geringe spezifische Energie. Die Kombination der Metalle steigert sich gegenseitig.

NMC ist die Batterie der Wahl für Elektrowerkzeuge, E-Bikes und andere elektrische Antriebe. Die Kathodenkombination besteht typischerweise zu einem Drittel aus Nickel, zu einem Drittel aus Mangan und zu einem Drittel aus Kobalt, auch bekannt als 1-1-1. Dies bietet eine einzigartige Mischung, die aufgrund des reduzierten Kobaltgehaltes auch die Rohstoffkosten senkt. Eine weitere erfolgreiche Kombination ist NCM mit 5 Teilen Nickel, 3 Teilen Kobalt und 2 Teilen Mangan (5-3-2). Andere Kombinationen unter Verwendung verschiedener Mengen an Kathodenmaterialien sind möglich.

Batteriehersteller bewegen sich wegen der hohen Kosten von Kobalt von Kobaltsystemen hin zu Nickelkathoden. Systeme auf Nickelbasis haben eine höhere Energiedichte, niedrigere Kosten und eine längere Lebensdauer als Zellen auf Kobaltbasis, sie haben jedoch eine etwas niedrigere Spannung.

Neue Elektrolyte und Additive ermöglichen das Laden auf 4,4 V / Zelle und mehr, um die Kapazität zu steigern. Abbildung 7 zeigt die Eigenschaften der NMC.

In Richtung NMC-Blended Li-Ion gibt es einen Trend, da das System wirtschaftlich gebaut werden kann und eine gute Leistung erzielt. Die drei aktiven Materialien Nickel, Mangan und Kobalt können leicht gemischt werden, um sich für eine Vielzahl von Anwendungen in Automobil- und Energiespeichersystemen (EES) zu eignen, die häufiges Radfahren erfordern. Die NMC-Familie wächst in ihrer Vielfalt.

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Tabelle 8: Eigenschaften von Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (NMC).

Lithiumeisenphosphat (LiFePO ₄ )

1996 entdeckte die University of Texas (und andere Mitarbeiter) Phosphat als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithiumbatterien. Li-Phosphat bietet eine gute elektrochemische Leistung bei geringem Widerstand. Dies wird mit nanoskaligem Phosphatkathodenmaterial ermöglicht. Die Hauptvorteile sind eine hohe Nennstromstärke und eine lange Lebensdauer, neben einer guten thermischen Stabilität, erhöhter Sicherheit und Toleranz bei Missbrauch.

Li-Phosphat ist gegenüber Vollladungsbedingungen toleranter und weniger belastet als andere Lithium-Ion-Systeme, wenn es längere Zeit unter Hochspannung gehalten wird. (Siehe BU-808: Wie Lithiumbatterien verlängert werden können ). Als Kompromiss reduziert die niedrigere Nennspannung von 3,2 V / Zelle die spezifische Energie unter die von mit Kobalt gemischten Lithium-Ionen. Bei den meisten Akkus reduziert die Kältetemperatur die Leistung und die erhöhte Lagertemperatur verkürzt die Lebensdauer, und Li-Phosphat bildet dabei keine Ausnahme. Li-Phosphat hat eine höhere Selbstentladung als andere Li-Ionen-Akkus. Dies kann zu Problemen beim Alterungsprozess führen. Dies kann durch den Kauf hochwertiger Zellen und / oder die Verwendung einer ausgeklügelten Steuerelektronik gemindert werden, die beide die Kosten der Packung erhöhen. Sauberkeit in der Fertigung ist für die Langlebigkeit von Bedeutung. Es gibt keine Toleranz für Feuchtigkeit, da die Batterie nur 50 Zyklen liefert. Abbildung 9 fasst die Eigenschaften von Li-Phosphat zusammen.

Li-Phosphat wird häufig verwendet, um die Blei-Säure-Starterbatterie zu ersetzen. Vier in Reihe geschaltete Zellen erzeugen 12,80 V, eine ähnliche Spannung wie sechs 2 V-Blei-Säure-Zellen in Reihe. Fahrzeuge laden Blei-Säure auf 14,40 V (2,40 V / Zelle) auf und behalten eine Auffüllladung bei. Die Aufladung wird durchgeführt, um den vollen Ladezustand aufrechtzuerhalten und die Sulfatierung der Bleibatterien zu verhindern.

Mit vier in Reihe geschalteten Li-Phosphat-Zellen erreicht jede Zelle eine Spannung von 3,60 V, was der korrekten Vollladespannung entspricht. Zu diesem Zeitpunkt sollte die Ladung getrennt werden, die Aufladung wird jedoch während der Fahrt fortgesetzt. Li-Phosphat ist tolerant gegenüber einer gewissen Überladung; Wenn jedoch die Spannung über einen längeren Zeitraum auf 14,40 V gehalten wird, wie dies bei den meisten Fahrzeugen auf langen Strecken der Fall ist, könnte dies zu einer Belastung von Li-Phosphat führen. Die Zeit wird zeigen, wie haltbar Li-Phosphat als Bleisäureaustausch mit einem normalen Fahrzeugladesystem ist. Kalte Temperaturen reduzieren auch die Leistung von Li-Ionen. Dies kann die Anlassfähigkeit in extremen Fällen beeinträchtigen.

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Tabelle 10: Eigenschaften von Lithiumeisenphosphat.

Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid (LiNiCoAlO ₂ )

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Batterie (NCA) gibt es seit 1999 für spezielle Anwendungen. Es hat Ähnlichkeiten mit NMC, indem es eine hohe spezifische Energie, eine relativ gute spezifische Leistung und eine lange Lebensdauer bietet. Weniger schmeichelhaft sind Sicherheit und Kosten. Abbildung 11 fasst die sechs Hauptmerkmale zusammen. NCA ist eine Weiterentwicklung von Lithium-Nickeloxid. Die Zugabe von Aluminium verleiht der Chemie eine höhere Stabilität.

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Tabelle 12: Eigenschaften von Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid

Lithiumtitanat (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Batterien mit Lithiumtitanatanoden sind seit den 1980er Jahren bekannt. Li-Titanat ersetzt den Graphit in der Anode einer typischen Lithium-Ionen-Batterie, und das Material bildet eine Spinellstruktur. Die Kathode kann Lithiummanganoxid oder NMC sein. Li-Titanat hat eine nominelle Zellenspannung von 2,40 V, kann schnell aufgeladen werden und liefert einen hohen Entladungsstrom von 10 ° C oder das 10-fache der Nennkapazität. Die Zykluszahl soll höher sein als die eines regulären Li-Ions. Li-Titanat ist sicher, hat ausgezeichnete Tieftemperatur-Entladungseigenschaften und erreicht eine Kapazität von 80 Prozent bei –30 ° C (–22 ° F).

LTO (üblicherweise Li4Ti ₅ O ₁₂ ) hat gegenüber dem herkömmlichen mit Kobalt gemischten Li-Ion mit Graphitanode Vorteile, da es eine Nullspannungseigenschaft, keine SEI-Filmbildung und keine Lithiumplattierung beim schnellen Laden und Laden bei niedriger Temperatur erreicht. Die thermische Stabilität unter hohen Temperaturen ist auch besser als bei anderen Li-Ion-Systemen. Der Akku ist jedoch teuer. Mit nur 65 Wh / kg ist die spezifische Energie niedrig und kann mit der von NiCd konkurrieren. Li-Titanat lädt sich auf 2,80 V / Zelle auf und das Ende der Entladung beträgt 1,80 V / Zelle. Fig. 13 veranschaulicht die Eigenschaften der Li-Titanat-Batterie. Typische Anwendungen sind elektrische Antriebe, USV und solarbetriebene Straßenbeleuchtung.
 

Übersichtstabelle

Tabelle 14: Eigenschaften von Lithiumtitanat.

Abbildung 15 vergleicht die spezifische Energie von Systemen auf Blei-, Nickel- und Lithiumbasis. Li-Aluminium (NCA) ist zwar der klare Gewinner, da es mehr Kapazität als andere Systeme speichert, dies gilt jedoch nur für spezifische Energie. Li-Mangan (LMO) und Li-Phosphat (LFP) sind hinsichtlich der spezifischen Leistung und der thermischen Stabilität überlegen. Li-Titanat (LTO) hat möglicherweise eine geringe Kapazität, aber diese Chemie überlebt die meisten anderen Batterien im Hinblick auf die Lebensdauer und bietet außerdem die beste Leistung bei niedrigen Temperaturen. Wenn Sie sich dem elektrischen Antriebsstrang zuwenden, werden Sicherheit und Lebensdauer des Fahrrads die Vorherrschaft über die Kapazität gewinnen. (LCO steht für Li-Cobalt, das ursprüngliche Li-Ion.)

Abbildung 15: Typische spezifische Energie von Batterien auf Blei-, Nickel- und Lithiumbasis.
NCA genießt die höchste spezifische Energie; Mangan und Phosphat sind jedoch hinsichtlich der spezifischen Leistung und thermischen Stabilität überlegen. Li-Titanat hat die beste Lebensdauer.
^{Mit freundlicher Genehmigung von Cadex}