Seis tipos comunes de baterías de litio y sus principales parámetros de rendimiento

A menudo hablamos de baterías de litio ternarias o baterías de litio de hierro, que reciben el nombre de baterías de litio después de materiales activos de cátodo.Este documento resume los seis tipos comunes de baterías de litio y sus principales parámetros de rendimientoComo todos sabemos, la misma ruta técnica de la célula, los parámetros específicos no son exactamente los mismos, este trabajo muestra el nivel general de los parámetros actuales.Las seis baterías de litio incluyen: óxido de cobalto de litio (LiCoO2), manganato de manganeso de litio (LiMn2O4), manganato de níquel-cobalto de litio (LiNiMnCoO2 o NMC), aluminato de níquel-cobalto de litio (LiNiCoAlO2 o NCA),Fósfato de hierro de litio (LiFePO4) y titanato de litio (Li4Ti5O12).

El óxido de cobalto de litio (LiCoO2) Su alta energía específica hace que el óxido de cobalto de 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 grafitoEl cátodo tiene una estructura en capas, durante la cual los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo, y el proceso de carga fluye en la dirección opuesta.Durante la descargaLos iones de litio se mueven del ánodo al cátodo; fluyen del cátodo al ánodo durante la carga.baja estabilidad térmica y capacidad de carga limitada (potencia específica)Al igual que otras baterías híbridas de iones de litio de cobalto, el óxido de cobalto de litio utiliza ánodo de grafito, y su vida útil está limitada principalmente por la interfaz de electrolito sólido (SEI),se refleja principalmente en el engrosamiento gradual de la película SEILos sistemas de materiales más recientes añaden níquel, manganeso y/o aluminio para mejorar la vida.capacidad de carga y reducir los costesEl óxido de cobalto de litio no debe cargarse ni descargarse a una corriente superior a la capacidad.400mAh sólo se puede cargar y descargar a menos o igual a 2Para una carga rápida óptima, el fabricante recomienda un multiplicador de carga de 0.8C o alrededor de 2El circuito de protección de la batería limita las velocidades de carga y descarga de la unidad de energía a un nivel de seguridad de aproximadamente 1C.

La batería de manganato de litio (LiMn2O4) fue publicada por primera vez en 1983. En 1996, Moli Energy comercializó baterías de iones de litio con óxido de litio manganeso como material catódico.La arquitectura forma una estructura spinel tridimensional que mejora el flujo de iones en el electrodo y, reduciendo así la resistencia interna y mejorando la capacidad de carga de la corriente.pero ciclos limitados y duración del calendarioLa baja resistencia interna de la batería permite una carga rápida y una alta descarga de corriente.con una acumulación de calor moderadaLa carga alta constante a esta corriente hace que el calor se acumule, y la temperatura de la batería no puede exceder los 80 °C (176 °F).El manganato de litio se utiliza en herramientas eléctricasEl manganato de litio es aproximadamente un tercio menos potente que el óxido de cobalto de litio.El diseño flexible permite a los ingenieros elegir maximizar la duración de la batería, o para aumentar la corriente de carga máxima (potencia específica) o la capacidad (energía específica). Por ejemplo, la versión de larga duración de la batería 18650 solo tiene una capacidad modesta de 1.100mAh;la versión de gran capacidad tiene 1500 mAh. ¿Qué es eso?

La mayoría del óxido de litio-manganeso se mezcla con óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC) para aumentar la energía específica y prolongar la vida útil.y la mayoría de los vehículos eléctricos, como el Nissan Leaf, el Chevrolet Volt y el BMW i3, tienen el LMO (NMC). La parte LMO de la batería puede alcanzar aproximadamente el 30%, lo que puede proporcionar una alta corriente al acelerar;y la parte NMC proporciona un largo alcanceLos estudios de baterías de iones de litio tienden a combinar óxido de litio manganeso con cobalto, níquel, manganeso y / o aluminio como materiales de cátodo activo.se añade una pequeña cantidad de silicio al ánodoEsto proporciona un aumento de la capacidad del 25%; sin embargo, el silicio se expande y se contrae con la carga y la descarga, causando tensión mecánica.y el aumento de la capacidad está a menudo estrechamente asociado con una vida útil de ciclo cortaEstos tres metales activos y la mejora del silicio se pueden seleccionar fácilmente para mejorar la energía específica (capacidad), la potencia específica (capacidad de carga) o la vida útil.,mientras que las aplicaciones industriales requieren sistemas de baterías, con buena capacidad de carga, larga vida útil y servicios seguros y fiables.

Uno de los sistemas de iones de litio más exitosos de litio-níquel-cobalto-manganeso-manganato (LiNiMnCoO2 o NMC) es la combinación de cátodos de níquel-níquel-manganeso-cobalto (NMC).Similar al manganato de litioPor ejemplo, el NMC de una batería 18650 en condiciones de carga media tiene una capacidad de aproximadamente 2,800mAh y puede proporcionar corrientes de descarga de 4A a 5AEl mismo tipo de NMC está optimizado para una potencia específica con una capacidad de sólo 2.000 mAh, pero puede proporcionar una corriente de descarga continua de 20 A. El ánodo a base de silicio alcanzará más de 4000 mAh,pero la capacidad de carga se reduce y la vida del ciclo se acortaEl silicio añadido al grafito tiene un defecto, es decir, el ánodo se expande y se contrae con la carga y la descarga, haciendo que la gran estructura de tensión mecánica de la batería sea inestable.El secreto del NMC es la combinación de níquel y manganesoComo esta es la sal de mesa, donde los ingredientes principales de sodio y cloruro son en sí mismos tóxicos, pero se mezclan como sales aromatizantes y agentes de conservación de alimentos.El níquel es conocido por su alta energía específicaLos dos metales activos tienen ventajas complementarias.La NMC es la batería preferida para herramientas eléctricasLas combinaciones catódicas son generalmente un tercio de níquel, un tercio de manganeso y un tercio de cobalto, también conocidos como 1-1-1.Esto proporciona una mezcla única que también reduce los costos de las materias primas debido al contenido reducido de cobaltoOtra combinación exitosa fue la NCM, que contenía 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto y 2 partes de manganeso (5 3-2).También pueden utilizarse otras combinaciones de diferentes cantidades de materiales catódicos.Debido al alto costo del cobalto, los fabricantes de baterías cambiaron de cobalto a cátodo de níquel.y una vida útil más larga que las baterías a base de cobalto, pero tienen tensiones ligeramente más bajas.

Fosfato de hierro de litio (LiFePO 4) En 1996, la Universidad de Texas descubrió que el fosfato podría usarse como material de cátodo para baterías de litio recargables.El fosfato de litio tiene buenas propiedades electroquímicas y una baja resistenciaLos principales beneficios son una alta corriente nominal y una larga vida útil del ciclo; buena estabilidad térmica, mayor seguridad y tolerancia al abuso.Si se mantiene a alta tensión durante largos períodosEl fosfato de litio es más tolerante a todas las condiciones de carga y es menos estresado que otros sistemas de iones de litio.El voltaje nominal de la batería de 2V hace que la energía específica sea menor que las baterías de iones de litio dopadas con cobaltoPara la mayoría de las baterías, las bajas temperaturas reducen el rendimiento, el aumento de las temperaturas de almacenamiento acorta la vida útil, y el fosfato de litio no es una excepción.El fosfato de litio tiene una auto descarga más alta que otras baterías de iones de litio, que pueden causar problemas de envejecimiento y de equilibrio, que pueden compensarse mediante el uso de baterías de alta calidad o mediante sistemas avanzados de gestión de baterías,pero ambos métodos aumentan el costo del paquete de bateríasLa duración de la batería es muy sensible a las impurezas en el proceso de fabricación, y no puede resistir el dopaje de agua.algunas baterías tienen una vida mínima de sólo 50 ciclosLa figura 9 resume las propiedades del fosfato de litio. El fosfato de litio se utiliza comúnmente en lugar de las baterías de arranque de plomo-ácido.con un voltaje similar al de las seis células de plomo-ácido de 2 V en serieEl vehículo carga el ácido de plomo en la batería de 14,40 V (2,40 V) y permanece flotando cargada.El propósito de la carga flotante es mantener el nivel de carga total y evitar la sulfatación de las baterías de plomo-ácido..

Las baterías de aluminato de níquel y cobalto de litio (LiNiCoAlO2 o NCA) se han aplicado desde 1999.Potencia específica bastante buena y larga vida útil es similar a la NMCMenos halagador es la seguridad y el costo.

El titanato de litio (Li4Ti5O12) Las baterías de anodo de titanato de litio se conocen desde la década de 1980.y el material forma una estructura de espiralEl cátodo puede ser manganato de litio o NMC. El titanato de litio tiene un voltaje nominal de la batería de 2,40V, que se puede cargar rápidamente, y proporciona una alta corriente de descarga de 10C.Se dice que el número de ciclos es mayor que el de las baterías convencionales de iones de litioEl titanato de litio es seguro y tiene excelentes propiedades de descarga a baja temperatura, alcanzando el 80% de la capacidad a 30 °C (-22 °F).no se forma membrana SEI y no se produce galvanoplastia de litio durante la carga rápida y la carga a baja temperatura, por lo que tiene el mejor rendimiento de carga-descarga del anodo Li-ion y grafito tradicional mezclado con cobalto. La estabilidad térmica a altas temperaturas también es mejor que otros sistemas de iones de litio;Sin embargoLa energía específica es baja, sólo 65Wh/kg, comparable al NiCd. El titanato de litio se carga a 2,80V y 1,80V a la descarga.La figura 13 muestra las propiedades de las baterías de titanato de litioLos usos típicos son un tren motriz eléctrico, UPS y farolas solares.El manganato de litio y el fosfato de hierro de litio proporcionan una potencia específica superior y una estabilidad térmicaEl titanato de litio tiene la mejor vida útil.