Sáu loại pin lithium phổ biến và các thông số hiệu suất chính của chúng

Chúng ta thường nói về pin lithium ba hoặc pin lithium sắt, được đặt tên cho pin lithium theo các vật liệu hoạt động cathode.Bài báo này tóm tắt sáu loại pin lithium phổ biến và các thông số hiệu suất chính của chúngNhư chúng ta đều biết, cùng một đường kỹ thuật của tế bào, các thông số cụ thể không phải là chính xác như nhau, bài báo này cho thấy mức độ chung của các thông số hiện tại.Sáu pin lithium bao gồm: lithium cobalt oxide (LiCoO2), lithium mangan manganate (LiMn2O4), lithium nickel-cobalt manganate (LiNiMnCoO2 hoặc NMC), lithium nickel-cobalt aluminate (LiNiCoAlO2 hoặc NCA),Lithium iron phosphate (LiFePO4) và lithium titanate (Li4Ti5O12).

Lithium cobalt oxide (LiCoO2) Năng lượng đặc tính cao của nó làm cho lithium cobalt oxide là một lựa chọn phổ biến cho điện thoại di động, máy tính xách tay và máy ảnh kỹ thuật số.Pin bao gồm một cathode coban-oxit và một graphite-carbon anodeCác cathode có cấu trúc lớp, trong đó ion lithium di chuyển từ anode đến cathode, và quá trình sạc chảy theo hướng ngược lại.Trong khi giải phóng, các ion lithium di chuyển từ anode đến cathode; dòng chảy từ cathode đến anode trong khi sạc.ổn định nhiệt thấp và công suất tải hạn chế (năng lượng cụ thể)Giống như các pin lithium-ion lai cobalt khác, lithium cobalt oxide sử dụng anode graphite, và tuổi thọ chu kỳ của nó chủ yếu bị giới hạn bởi giao diện điện giải rắn (SEI),chủ yếu được phản ánh trong sự dày dần của màng SEICác hệ thống vật liệu mới hơn thêm niken, mangan và / hoặc nhôm để cải thiện tuổi thọ,dung lượng tải và giảm chi phíLithium cobalt oxide sẽ không được sạc và xả ở một dòng điện cao hơn công suất.400mAh chỉ có thể được sạc và xả ở mức nhỏ hơn hoặc bằng 2, 400mA. Sạc nhanh bắt buộc hoặc áp dụng tải trọng cao hơn 2400mA có thể gây ra quá nóng và căng thẳng quá tải. Để sạc nhanh tối ưu, nhà sản xuất khuyên bạn nên sử dụng nhân sạc bằng 0.8C hoặc khoảng 2Vòng bảo vệ pin giới hạn tốc độ sạc và xả của đơn vị năng lượng đến mức an toàn khoảng 1C.

Lithium manganate (LiMn2O4) pin lithium spinel manganate được xuất bản lần đầu tiên vào năm 1983.Kiến trúc hình thành một cấu trúc spinel 3 chiều cải thiện dòng ion trên điện cực vàMột lợi thế khác của spinel là sự ổn định nhiệt cao, an toàn được cải thiện,nhưng hạn chế chu kỳ và thời gian sử dụng lịch. Kháng tích trong pin thấp cho phép sạc nhanh và xả dòng điện cao.với sự tích lũy nhiệt vừa phải. Lực xung tải lên đến 50A1 giây cũng có thể được áp dụng. Trọng lượng cao liên tục ở dòng điện này làm cho nhiệt tích tụ và nhiệt độ pin không thể vượt quá 80 ° C (176 ° F).Lithium manganate được sử dụng trong các công cụ điện, thiết bị y tế, cũng như xe hybrid và xe điện thuần túy.Thiết kế linh hoạt cho phép các kỹ sư lựa chọn để tối đa hóa tuổi thọ pin, hoặc để tăng dòng tải tối đa (năng lượng cụ thể) hoặc công suất (năng lượng cụ thể). Ví dụ, phiên bản tuổi thọ dài của pin 18650 chỉ có dung lượng khiêm tốn là 1.100mAh;phiên bản dung lượng cao có 1500mAh.

Hầu hết lithium mangan oxide được trộn với lithium nickel-mangan cobalt oxide (NMC) để tăng năng lượng cụ thể và kéo dài tuổi thọ.và hầu hết các phương tiện điện, chẳng hạn như Nissan Leaf, Chevrolet Volt và BMW i3, có LMO (NMC). Phần LMO của pin có thể đạt khoảng 30%, có thể cung cấp dòng điện cao khi tăng tốc;và phần NMC cung cấp một phạm vi dàiCác nghiên cứu pin lithium-ion có xu hướng kết hợp lithium mangan oxide với cobalt, niken, mangan và / hoặc nhôm như các vật liệu cathode hoạt động.một lượng nhỏ silicon được thêm vào anodeĐiều này cung cấp một sự gia tăng năng lượng 25%; tuy nhiên, silicon mở rộng và thu hẹp với sạc và xả, gây ra căng thẳng cơ học,và sự gia tăng công suất thường liên quan chặt chẽ đến tuổi thọ chu kỳ ngắnBa kim loại hoạt động và gia tăng silicon này có thể dễ dàng được chọn để cải thiện năng lượng cụ thể (capacity), sức mạnh cụ thể (capacity load) hoặc tuổi thọ.,trong khi các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi các hệ thống pin, với dung lượng tải tốt, tuổi thọ dài và cung cấp các dịch vụ an toàn và đáng tin cậy.

Một trong những hệ thống lithium-ion thành công nhất của lithium-nickel-cobalt-mangan-manganate (LiNiMnCoO2 hoặc NMC) là sự kết hợp cathode của niken-nickel-mangan-cobalt (NMC).Tương tự như lithium manganate, hệ thống có thể được tùy chỉnh như một pin năng lượng hoặc pin điện. Ví dụ, NMC trong pin 18650 trong điều kiện tải trung bình có dung lượng khoảng 2,800mAh và có thể cung cấp dòng xả từ 4A đến 5A; cùng một loại NMC được tối ưu hóa cho một công suất cụ thể với dung lượng chỉ 2.000mAh, nhưng có thể cung cấp một dòng xả liên tục 20A.nhưng khả năng tải được giảm và tuổi thọ chu kỳ được rút ngắnSilicon được thêm vào graphite có một khiếm khuyết, nghĩa là anode mở rộng và co lại với sạc và xả, làm cho cấu trúc căng thẳng cơ học lớn của pin không ổn định.Bí mật của NMC là sự kết hợp của niken và manganGiống như muối bàn, trong đó các thành phần chính của natri và clorua là tự độc hại, nhưng chúng được trộn như muối hương vị và chất bảo quản thực phẩm.Nickel được biết đến với năng lượng đặc trưng cao của nó, nhưng có sự ổn định kém; cấu trúc spinel mangan đạt được kháng cự bên trong thấp nhưng năng lượng cụ thể thấp hơn.NMC là pin được lựa chọn cho các công cụ điệnCác kết hợp cathodic thường là một phần ba niken, một phần ba mangan và một phần ba cobalt, còn được gọi là 1-1-1.Điều này cung cấp một hỗn hợp độc đáo cũng giảm chi phí nguyên liệu thô do hàm lượng cobalt giảmMột sự kết hợp thành công khác là NCM, có chứa 5 phần niken, 3 phần cobalt và 2 phần mangan (5 ¢ 3-2).Các kết hợp khác của các lượng vật liệu cathode khác nhau cũng có thể được sử dụngDo chi phí cao của cobalt, các nhà sản xuất pin đã chuyển từ cobalt sang cathode nickel.và tuổi thọ chu kỳ dài hơn so với pin dựa trên cobalt, nhưng chúng có điện áp thấp hơn một chút.

Lithium iron phosphate (LiFePO 4) Năm 1996, Đại học Texas phát hiện ra rằng phosphate có thể được sử dụng làm vật liệu cathode cho pin lithium sạc lại.Lithium phosphate có tính chất điện hóa tốt và kháng cự thấpĐiều này đạt được bằng cách sử dụng vật liệu cathode phosphate quy mô nano. Những lợi thế chính là dòng điện cao và tuổi thọ chu kỳ dài; ổn định nhiệt tốt, tăng cường an toàn và dung nạp lạm dụng.Nếu duy trì điện áp cao trong thời gian dài, lithium phosphate chịu đựng tốt hơn tất cả các điều kiện sạc và ít bị căng thẳng hơn các hệ thống lithium-ion khác.Điện áp danh nghĩa của pin 2V làm cho năng lượng riêng thấp hơn so với pin lithium ion có doped cobaltĐối với hầu hết các pin, nhiệt độ thấp làm giảm hiệu suất, tăng nhiệt độ lưu trữ rút ngắn tuổi thọ, và lithium phosphate không ngoại lệ.Lithium phosphate có độ tự xả cao hơn so với pin lithium-ion khác, có thể gây ra sự lão hóa và các vấn đề cân bằng hơn nữa có thể được bù đắp bằng cách sử dụng pin chất lượng cao hoặc sử dụng các hệ thống quản lý pin tiên tiến,nhưng cả hai phương pháp tăng chi phí của bộ pin. Thời gian sử dụng pin rất nhạy cảm với các tạp chất trong quá trình sản xuất, và không thể chịu được sự doping của nước.một số pin có tuổi thọ tối thiểu chỉ 50 chu kỳHình 9 tóm tắt các tính chất của lithium phosphate. Lithium phosphate thường được sử dụng thay cho pin khởi động axit chì.với điện áp tương tự như sáu pin axit chì 2V trong loạtXe nạp axit chì vào pin 14,40V (2,40V / pin) và vẫn nổi.Mục đích của sạc nổi là duy trì mức sạc đầy đủ và ngăn ngừa sự bốc sulfat của pin chì axit.

Lithium nickel-cobalt aluminate (LiNiCoAlO2 hoặc NCA) pin lithium nickel-cobalt aluminate hoặc NCA đã được áp dụng kể từ năm 1999.khá tốt sức mạnh cụ thể và tuổi thọ dài là tương tự như NMCÍt hơn là sự an toàn và chi phí.

Lithium titanate (Li4Ti5O12) Các pin anode lithium titanate đã được biết đến từ những năm 1980.và vật liệu tạo thành một cấu trúc spinelCác cathode có thể là lithium manganate hoặc NMC. Lithium titanate có điện áp pin danh nghĩa là 2,40V, có thể được sạc nhanh chóng, và cung cấp một dòng xả cao 10C.Số chu kỳ được cho là cao hơn so với các pin lithium-ion thông thường. Lithium titanate an toàn và có tính chất xả nhiệt độ thấp tuyệt vời, đạt 80% công suất ở 30 ° C (-22 ° F). LTO (thường là Li4Ti5O12) không căng,Không hình thành màng SEI và không có hiện tượng điện áp lithium trong quá trình sạc nhanh và sạc nhiệt độ thấp, vì vậy nó có hiệu suất điện-thả tốt hơn so với anode Li-ion và graphit hỗn hợp cobalt truyền thống.tuy nhiênLithium titanate được sạc ở 2,80V và 1,80V khi xả.Hình 13 cho thấy tính chất của pin lithium titanateCác ứng dụng điển hình là hệ thống truyền động điện, UPS và đèn đường mặt trời.Lithium manganate và lithium iron phosphate cung cấp sức mạnh đặc tính và ổn định nhiệt cao hơnLithium titanate có tuổi thọ tốt nhất.