Seis tipos comuns de baterias de lítio e seus principais parâmetros de desempenho

Muitas vezes falamos de baterias de lítio ternárias ou baterias de ferro de lítio, que são nomeadas para baterias de lítio após materiais catódicos ativos.Este trabalho resume os seis tipos comuns de baterias de lítio e os seus principais parâmetros de desempenhoComo todos sabemos, a mesma rota técnica da célula, os parâmetros específicos não são exatamente os mesmos, este trabalho mostra o nível geral dos parâmetros atuais.As seis baterias de lítio incluem: óxido de cobalto de lítio (LiCoO2), manganeto de manganês de lítio (LiMn2O4), manganeto de níquel-cobalto de lítio (LiNiMnCoO2 ou NMC), aluminato de níquel-cobalto de lítio (LiNiCoAlO2 ou NCA),fosfato de ferro de lítio (LiFePO4) e titanato de lítio (Li4Ti5O12).

O óxido de cobalto de lítio (LiCoO2) A sua elevada energia específica torna o óxido de cobalto de lítio uma escolha popular para telemóveis, portáteis e câmaras digitais.A bateria consiste num cátodo de óxido de cobalto e num ânodo de carbono de grafitoO cátodo tem uma estrutura em camadas, durante a qual os íons lítio se movem do ânodo para o cátodo, e o processo de carga flui na direção oposta.Durante a descarga, os íons de lítio se movem do ânodo para o cátodo; fluem do cátodo para o ânodo durante a carga.baixa estabilidade térmica e capacidade de carga limitada (potência específica)Como outras baterias híbridas de iões de lítio, o óxido de lítio utiliza ânodo de grafite, e a sua vida útil é limitada principalmente pela interface de eletrólito sólido (SEI).reflectida principalmente no espessamento gradual do filme SEIOs sistemas de materiais mais recentes adicionam níquel, manganês e/ou alumínio para melhorar a vida útil.capacidade de carga e reduzir custosO óxido de cobalto de lítio não deve ser carregado e descarregado a uma corrente superior à capacidade.400 mAh só podem ser carregados e descarregados a menos ou igual a 2Para um carregamento rápido ideal, o fabricante recomenda um multiplicador de carga de 0.8C ou cerca de 2O circuito de protecção da bateria limita as taxas de carga e descarga da unidade de energia a um nível de segurança de cerca de 1C.

A bateria de manganato de lítio (LiMn2O4) foi publicada pela primeira vez em 1983. Em 1996, a Moli Energy comercializou baterias de íons de lítio com óxido de lítio manganês como material catódico.A arquitetura forma uma estrutura spinel tridimensional que melhora o fluxo de íons no eletrodo eOutra vantagem do spinel é a sua elevada estabilidade térmica, segurança melhorada,Mas com ciclos e calendários limitados. Baixa resistência interna da bateria permite carregamento rápido e alta descarga de corrente.com acúmulo de calor moderadoA carga elevada constante a esta corrente faz com que o calor se acumule e a temperatura da bateria não pode exceder 80°C (176°F).O manganato de lítio é usado em ferramentas elétricasO manganato de lítio é cerca de um terço menos potente que o óxido de cobalto de lítio.O design flexível permite que os engenheiros escolham maximizar a vida útil da bateria, ou para aumentar a corrente de carga máxima (potência específica) ou a capacidade (energia específica). Por exemplo, a versão de longa vida da bateria 18650 tem apenas uma capacidade modesta de 1.100 mAh;a versão de grande capacidade tem 1500mAh.

A maior parte do óxido de lítio-manganês é misturada com óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC) para aumentar a energia específica e prolongar a vida útil.e a maioria dos veículos elétricos, como o Nissan Leaf, o Chevrolet Volt e o BMW i3, possuem o LMO (NMC). A parte LMO da bateria pode atingir cerca de 30%, o que pode fornecer uma alta corrente ao acelerar;e a parte NMC fornece um longo alcanceOs estudos de baterias de íons de lítio tendem a combinar óxido de lítio manganês com cobalto, níquel, manganês e / ou alumínio como materiais de cátodo ativo.uma pequena quantidade de silício é adicionada ao ânodoIsto proporciona um aumento de capacidade de 25%; no entanto, o silício se expande e contrai com a carga e descarga, causando tensão mecânica,e o aumento da capacidade está frequentemente estreitamente associado a uma vida útil curta do cicloEstes três metais ativos e o enriquecimento de silício podem ser facilmente selecionados para melhorar a energia específica (capacidade), a potência específica (capacidade de carga) ou a vida útil.,enquanto as aplicações industriais exigem sistemas de baterias, com boa capacidade de carga, longa vida útil e serviços seguros e fiáveis.

Um dos sistemas de íons de lítio mais bem sucedidos de lítio-níquel-cobalto-manganeso-manganato (LiNiMnCoO2 ou NMC) é a combinação de cátodos de níquel-níquel-manganeso-cobalto (NMC).Semelhante ao manganato de lítio, o sistema pode ser personalizado como uma bateria de energia ou uma bateria de potência.800mAh e pode fornecer correntes de descarga de 4A a 5AO mesmo tipo de NMC é otimizado para uma potência específica com uma capacidade de apenas 2.000 mAh, mas pode fornecer uma corrente de descarga contínua de 20 A. O ânodo à base de silício atingirá mais de 4000 mAh,mas a capacidade de carga é reduzida e a vida do ciclo é encurtadaO silício adicionado ao grafite tem um defeito, ou seja, o ânodo se expande e se contrai com a carga e descarga, tornando instável a grande estrutura de tensão mecânica da bateria.O segredo do NMC é a combinação de níquel e manganêsComo este é o sal de mesa, onde os principais ingredientes de sódio e cloreto são eles próprios tóxicos, mas eles são misturados como sais aromatizantes e agentes de conservação de alimentos.O níquel é conhecido pela sua elevada energia específicaOs dois metais ativos possuem vantagens complementares.NMC é a bateria de escolha para ferramentas elétricasAs combinações catódicas são geralmente um terço de níquel, um terço de manganês e um terço de cobalto, também conhecidos como 1-1-1.Isto proporciona uma mistura única que também reduz os custos das matérias-primas devido à redução do teor de cobaltoOutra combinação bem-sucedida foi a NCM, que continha 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto e 2 partes de manganês (5 ¢ 3-2).Podem também ser utilizadas outras combinações de diferentes quantidades de materiais catódicos.Devido ao alto custo do cobalto, os fabricantes de baterias mudaram de cobalto para cátodo de níquel.e uma vida útil mais longa do que as baterias à base de cobalto, mas têm tensões ligeiramente mais baixas.

Fosfato de ferro de lítio (LiFePO 4) Em 1996, a Universidade do Texas descobriu que o fosfato poderia ser usado como material de cátodo para baterias de lítio recarregáveis.O fosfato de lítio tem boas propriedades eletroquímicas e uma baixa resistênciaOs principais benefícios são a elevada corrente nominal e a longa vida útil do ciclo; boa estabilidade térmica, segurança reforçada e tolerância ao abuso.Se mantido em alta tensão por longos períodosO fosfato de lítio é mais tolerante a todas as condições de carregamento e é menos estressado do que outros sistemas de íons de lítio.A tensão nominal da bateria de 2 V torna a energia específica menor do que as baterias de íons de lítio dopadas com cobaltoPara a maioria das baterias, as baixas temperaturas reduzem o desempenho, o aumento das temperaturas de armazenamento reduz a vida útil e o fosfato de lítio não é exceção.O fosfato de lítio tem uma auto-descarga mais elevada do que outras baterias de íons de lítio, que podem causar problemas de envelhecimento e de equilíbrio, que podem ser compensados pela utilização de baterias de alta qualidade ou por sistemas avançados de gestão de baterias,Mas ambos os métodos aumentam o custo da bateriaA duração da bateria é muito sensível às impurezas no processo de fabricação e não pode resistir ao doping de água.Algumas baterias têm uma vida mínima de apenas 50 ciclosA Figura 9 resume as propriedades do fosfato de lítio. O fosfato de lítio é comumente utilizado em vez de baterias de arranque de chumbo-ácido.com uma tensão semelhante à das seis células de chumbo-ácido de 2 V em sérieO veículo carrega o ácido de chumbo na bateria de 14,40 V (ou 2,40 V) e permanece flutuante carregado.O objectivo da carga flutuante é manter o nível de carga total e evitar a sulfatação das baterias de chumbo-ácido..

As baterias de aluminato de níquel de lítio e cobalto (LiNiCoAlO2 ou NCA) de aluminato de níquel de lítio e cobalto ou NCA são utilizadas desde 1999.Uma potência específica bastante boa e uma longa vida útil é semelhante ao NMCMenos lisonjeiro é a segurança e o custo.

O titanato de lítio (Li4Ti5O12) Baterias de ânodo de titanato de lítio são conhecidas desde os anos 80. O titanato de lítio substitui a grafite no ânodo de uma bateria típica de íons de lítio.e o material forma uma estrutura de spinelO cátodo pode ser manganato de lítio ou NMC. O titanato de lítio tem uma tensão nominal da bateria de 2,40V, que pode ser carregada rapidamente e fornece uma alta corrente de descarga de 10C.Dizem que o número de ciclos é superior ao das baterias convencionais de íons de lítioO titanato de lítio é seguro e possui excelentes propriedades de descarga a baixa temperatura, atingindo 80% da capacidade a 30 °C (-22 °F).Não se forma membrana SEI nem ocorre galvanização do lítio durante o carregamento rápido e o carregamento a baixa temperatura, pelo que tem um melhor desempenho de carga-descarga do anodo Li-ion e grafite tradicional misturado com cobalto. A estabilidade térmica a altas temperaturas também é melhor do que outros sistemas de iões de lítio;No entantoA energia específica é baixa, apenas 65Wh/kg, comparável ao NiCd. O titanato de lítio é carregado a 2,80V e 1,80V na descarga.A figura 13 mostra as propriedades das baterias de titanato de lítioOs usos típicos são um sistema de transmissão elétrica, UPS e luzes solares de rua.O manganato de lítio e o fosfato de ferro de lítio fornecem potência específica superior e estabilidade térmicaO titanato de lítio tem a melhor vida útil.