Типы литий-ионных аккумуляторов
Характеристики литиевых аккумуляторов могу существенно различаться. В статье рассмотрены шесть основных типов таких аккумуляторов.
Статья скопирована с сайта Best-Energy, где есть много другой качественной информации по теме электропитания.
Рассмотрены следующие типы литиевых аккумуляторов.
1. Литий-кобальтовый аккумулятор ( LiCoO2)
2. Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4)
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор (LiNiMnCoO2 или NMC)
4. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)
5. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор (LiNiCoAlO2)
6. Литий-титанатный аккумулятор (Li4Ti5O12)
Разные подвиды литий-ионной электрохимической системы именуются по типу своего активного вещества, и могут обозначаться как полностью словами, так и в укороченном виде - химическими формулами. Объединяется литиевые аккумуляторы то, что все они относятся к герметичным необслуживаемым аккумуляторам. Такие формулы не очень удобны для прочтения или запоминания ввиду своей сложности, поэтому и они упрощаются - к буквенной аббревиатуре.
Например, кобальтит лития, один из самых распространенных материалов для литий-ионных аккумуляторов, имеет химическую формулу LiCoO2 и аббревиатуру LCO. Из соображений простоты также может использоваться короткая словесная форма - “литий-кобальт”. Кобальт является основным активным веществом и именно по нему характеризуется тип батареи. Другие типы литий-ионной электрохимической системы также аналогично сводятся к краткой форме. В данном разделе перечислены шесть наиболее распространенных типов Li-ion.
- Литий-кобальтовый аккумулятор ( LiCoO2)
Высокий показатель удельной энергоемкости делает литий-кобальтовый аккумулятор популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых камер. Аккумулятор состоит из графитового анода и катода из оксида кобальта. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются к нему от анода. При зарядке направление меняется на противополжное. Недостатком литий-кобальтовых аккумуляторов является относительно короткий срок службы, низкая термическая стабильность и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). На рисунке 1 показана структура такого аккумулятора.
Рисунок 1: Структура литий-кобальтового аккумулятора.
Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, при зарядке - от катода к аноду.
Литий-кобальтовый аккумулятор не может заряжаться или разряжаться при силе тока выше его С-рейтинга. Это означает, что ячейка типоразмера 18650 емкостью 2400 мАч может заряжаться или разряжаться силой тока не превышающей 2400 мА. Принудительный быстрый заряд или подключение нагрузки, требующей больше чем 2400 мА, приведет к чрезмерному стрессу и перегреву. Для быстрой зарядки производители рекомендуют С-рейтинг 0,8С или около 2000 мА. При использовании системы защиты аккумулятора она автоматически ограничивает заряд и разряд до безопасного уровня - около 1С.
Гексагональный график (рисунок 2) суммирует производительность литий-кобальтового аккумулятора с точки зрения таких характеристик - удельная энергоемкость, которая отвечает за время работы; удельная мощность, или способность обеспечить большую силу тока; безопасность; производительность при высоких и низких температурах; срок службы и долговечность; стоимость. Другими важными характеристиками, не учтенными на этом графике, являются токсичность, возможность быстрой зарядки, саморазряд и срок возможного хранения.
Рисунок 2: Оценка усредненного литий-кобальтового аккумулятора.
Литий-кобальтовая электрохимическая система выделяется высокой удельной энергоемкостью, но предлагает средние показатели удельной мощности, безопасности и срока службы.
Таблица характеристик литий-кобальтового аккумулятора.
Кобальтит лития: LiCoO2 катод (~60% кобальта), графитовый анод. Сокращенное обозначение: LCO или Li-кобальт. Разработан в 1991 году
- Напряжение 3,60 В номинальное;
- стандартный рабочий диапазон — 3,0-4,2 В
- Удельная энергоемкость 150-200 Вт*ч/кг; специализированные модели обеспечивают до 240 Вт*ч/кг
- С-рейтинг зарядки 0,7-1С, напряжение зарядки 4,20 В (большинство моделей); процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи
- С-рейтинг разряда 1С; при напряжении ниже 2,50 В срабатывает отсекатель; разряд силой тока выше 1С сокращает срок службы батареи
- Количество циклов заряда/разряда 500-1000, зависит от глубины разрядов, нагрузки, температур
- Тепловой пробой Обычно при 150°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
- Области применения Мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты
Комментарий: Очень высокая удельная энергоемкость, ограниченная удельная мощность. Высокая стоимость кобальта. Служит в областях, где требуется большая емкость. Имеет стабильный спрос на рынке.
2. Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4)
Устройство литий-ионного аккумулятора с марганцевой шпинелью было впервые опубликовано в журнале “Materials Research Bulletin” в 1983 году. В 1996 году компания Moli Energy коммерциализировала литий-ионную ячейку с литий-марганцевой шпинелью в качестве материала катода. Трехмерная структура шпинели улучшает поток ионов на электроде, что приводит к уменьшению внутреннего сопротивления и улучшению обработки тока. Еще одним преимуществом шпинели является высокая термическая стабильность, но срок жизни и количество циклов ограничены.
Низкое внутреннее сопротивление такой ячейки обеспечивает быструю зарядку и высокое возможное значение силы тока разряда. В типоразмере 18650 литий-марганцевый аккумулятор может разряжаться силой тока в 20-30А с умеренным теплообразованием. Кроме того, он способен выдерживать импульсы до 50 А в течение одной-двух секунд. Непрерывная же нагрузка в 50 А приведет к нагреву аккумулятора, который не должен превышать 80°С во избежание деградации. Литий-марганцевые аккумуляторы используются для мощных инструментов, медицинского оборудования, а также в гибридном и электротранспорте.
На рисунке 4 представлена графическая иллюстрация трехмерного кристаллического каркаса материала катода. Этим материалом является шпинель, у которой начальная ромбовидная решеточная структура трансформируется в трехмерную.
Рисунок 4: Структура литий-марганцевого аккумулятора.
Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели имеет трехмерную каркасную структуру, которая появляется после начального формирования. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, но имеет более умеренную удельную энергоемкость чем кобальт.
Емкость литий-марганцевого аккумулятора примерно на треть меньше емкости литий-кобальтового. Гибкость конструкции позволяет оптимизировать батарею под разные задачи и создавать модели с улучшенными показателями долговечности, удельной мощности или удельной энергоемкости. Например, версия в типоразмере 18650 с улучшенными показателями мощности имеет емкость только 1100 мАч, в то время как оптимизированная под емкость - 1500 мАч.
На рисунке 5 показан гексагональный график типичного литий-марганцевого аккумулятора. Характеристики могут казаться не особо впечатлительными, но последние разработки имеют улучшенные показатели удельной мощности, безопасности и продолжительности жизни.
Рисунок 5: Характеристики обычного литий-марганцевого аккумулятора.
Несмотря на умеренную общую производительность, новые модели демонстрируют улучшенную удельную мощность, безопасность и продолжительность жизни.Большинство литий-марганцевых аккумуляторов комбинируются с литий-никель-марганец-кобальтовыми (NMC) для повышения удельной энергоемкости и продления срока службы. Этот союз позволяет использовать сильные стороны обеих систем и называется LMO (NMC). Именно эти комбинированные аккумуляторы используются в большинстве электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevy Volt и BMW i3. LMO – часть такого аккумулятора, которая составляет около 30 %, обеспечивает высокие ускорительные возможности электродвигателя, а NMC часть отвечает за размер автономного пробега.
Исследования в литий-ионной системе в значительной степени тяготеют к объединению литий-марганцевых ячеек с никель-марганец-кобальтовыми. Этитри активных металла могут легко комбинироваться для получения необходимого результата, будь то повышение удельной мощности, нагрузочных характеристик или долговечности аккумулятора. Этот широкий диапазон возможностей необходим для удовлетворения единым технологическим подходом и рынка потребительских аккумуляторов, где на первом месте стоит емкость; и промышленности, где необходимы аккумуляторные системы с хорошими нагрузочными характеристиками, с длительным сроком службы и с надежной безопасной эксплуатацией.
Таблица характеристик литий-марганцевого аккумулятора.
Литий-марганцевая шпинель: LiMn2O4 катод, графитовый анод
Сокращенное обозначение: LNO или Li-марганцевый (шпинельная структура)
Разработан в 1996 году
- Напряжение 3,70 В (3,80 В) номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3.0-4.2 В
- Удельная энергоемкость 100-150 Вт*ч/кг
- С-рейтинг зарядки Стандарт 0,7-1С; 3С максимум; зарядка до 4,20 В (большинство батарей)
- С-рейтинг разряда Стандарт 1С; существуют модели с 10С; импульсный режим работы (до 5 секунд) - 50С; при 2,50 В срабатывает отсекатель
- Количество циклов заряда/разряда 300-700 (зависит от глубины разрядов и температуры)
- Тепловой пробой Обычно при 250°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
- Области применения Электроинструмент, медицинское оборудование, электрические силовые агрегаты
Комментарий: Высокая мощность, но умеренная емкость; безопаснее литий-кобальтовых; обычно используется вместе с NMC
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор (LiNiMnCoO2 или NMC)
Одним из наиболее успешных вариантов исполнения литий-ионной электрохимической системы является сочетание никеля, марганца и кобальта (NMC) в катоде. По аналогии с литий-марганцевыми, эти системы могут быть оптимизированы под емкость или мощность. Например, NMC аккумулятор в типоразмере ячейки 18650 для умеренной нагрузки имеет емкость 2800 мАч и может обеспечивать силу тока в 4-5 А; а версия в том же типоразмере, но оптимизированная под мощностные показатели имеет емкость только 2000 мАч, но максимальная сила тока разряда у нее - 20 А. Показатель емкости можно увеличить и до 4000 мАч, если добавить кремний в состав анода. Но с другой стороны, это значительно уменьшит нагрузочные характеристики и долговечность такого аккумулятора. Столь неоднозначные свойства кремния появляются из-за его расширения и уменьшения при зарядке и разрядке, что приводит к механической неустойчивости конструкции аккумулятора.
Секрет технологии NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Аналогией может служить обыкновенная поваренная соль, где по отдельности ее компоненты, натрий и хлор, весьма токсичны, но их соединение образует полезное пищевое вещество. Никель известен своей высокой удельной энергоемкостью, но низкой стабильностью; марганец же имеет преимущество в виде шпинельной структуры, которая обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но и приводит к недостатку - низкой удельной энергоемкости. Сочетание же этих металлов позволяет компенсировать недостатки друг друга и в полной мере использовать сильные стороны.
NMC аккумуляторы используются для мощных инструментов, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Состав катода, как правило, сочетает никель, марганец и кобальт в равных частях, то есть каждый металл занимает треть от общего объема. Такое распределение также известно как 1-1-1. Сочетание в таком соотношении выгодно своей стоимостью, так как содержание дорогого кобальта по сравнению с другими версиями батареи относительно невелико. Еще одна успешная комбинация NMC содержит 5 частей никеля, 3 части кобальта и 2 части марганца. Эксперименты по поиску удачных комбинаций этих активных веществ продолжаются и сейчас. На рисунке 7 продемонстрированы характеристики NMC аккумулятора.
Рисунок 7: Оценка характеристик NMC аккумулятора.
NMC имеет хорошую общую производительность и отличную удельную энергоемкость. Данная аккумуляторная батарея является предпочтительным выбором для электротранспорта и имеет самый низкий уровень самонагрева.
В последнее время именно NMC семейство литий-ионных аккумуляторов становится наиболее популярным, так как благодаря возможности комбинации активных веществ стало можно сконструировать экономичную батарею с хорошей производительностью. Никель, марганец и кобальт могут быть легко смешаны, чтобы удовлетворить широкий спектр требований для электротранспорта или систем аккумулирования энергии, специфика которых предполагает регулярную циклическую работу. Семейство NMC аккумуляторов активно развивается в своем многообразии.
Таблица характеристик
литий-никель-марганец-кобальт-оксидного (NMC) аккумулятора.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксид: LiNiMnCoO2 катод, графитовый анод
Сокращенное обозначение: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN аналогично комбинации металлов)
Разработан в 2008 году
- Напряжение 3,60-3,70 В номинальное; стандартный рабочий диапазон — 3,0-4,2 В на ячейку, или выше
- Удельная энергоемкость 150-220 Вт*ч/кг
- С-рейтинг зарядки 0,7-1С, зарядка до 4,20 В, в некоторых моделях до 4,30 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи
- С-рейтинг разряда 1С; некоторые модели поддерживают 2С; при 2,50 В срабатывает отсекатель
- Количество циклов заряда/разряда 1000-2000 (зависит от глубины разрядов и температуры)
- Тепловой пробой Обычно при 210°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
- Области применения Электровелосипеды, медицинское оборудование, электроавтомобили, промышленность
Комментарий: Обеспечивают высокую емкость и мощность. Широкий спектр практического применения, доля рынка стремительно растет
4. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4) литий-ионного аккумулятора
В 1996 году в Университете Техаса были проведены исследования, в результате которых был открыт новый материал для катода литий-ионного аккумулятора - фосфат железа. Литий-фосфатная система обладает хорошими электрохимическими свойствами и низким внутренним сопротивлением.
Основными преимуществами таких аккумуляторов являются высокие показатели силы тока и длительный срок службы, к тому же они обладают хорошей термической стабильностью, повышенной безопасностью и стойкостью к неправильному использованию.
Литий-фосфатные аккумуляторы более стойкие к перезаряду; если в случае длительного времени к ним приложено высокое напряжение, то деградационные последствия будут заметно меньше в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. Но напряжение ячейки в 3.20 В снижает показатель удельной энергоемкости до уровня, даже меньшего, чем у литий-марганцевого аккумулятора. Для большинства электрических батарей холодная температура снижает производительность, а жаркая - сокращает срок службы, литий-фосфатная система не является исключением. У нее также более высокий показатель саморазряда в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. На рисунке 9 показаны характеристики литий-фосфатного аккумулятора.
Литий-фосфатные аккумуляторы часто используются в качестве замены стартерным свинцово-кислотным. Четыре ячейки такой батареи обеспечат напряжение в 12,8 В - аналогично напряжению шести двухвольтовых ячеек свинцово-кислотного. Генератор транспортного средства подзаряжает свинцово-кислотный аккумулятор до 14,40 В (2,40 В на ячейку). Для четырех литий-фосфатных ячеек предельное напряжение будет 3,60 В, после подзарядку следует отключить, чего не происходит в обычном транспортном средстве. Литий-фосфатные аккумуляторы стойкие к перезаряду, но даже они при длительном сохранении повышенного напряжения деградируют. Низкие температуры также могут стать проблемой при использовании литий-фосфатного аккумулятора в качестве замены обычному стартерному.
Рисунок 9: Оценка характеристик литий-фосфатного аккумулятора.
Литий-фосфатная электрохимическая система обеспечивает отличную безопасность и долгий срок службы, но удельная энергоемкость имеет умеренные показатели, также стоит отметить высокий саморазряд.
Таблица характеристик литий-железо-фосфатного аккумулятора.
Литий-феррофосфат: LiFePO4 катод, графитовый анод
Сокращенное обозначение: LFP или Li-фосфат
- Напряжение 3,20, 3,30 В номинальное; стандартный рабочий диапазон — 2,5-3,65 В на ячейку
- Удельная энергоемкость 90-120 Вт*ч/кг
- С-рейтинг зарядки 1С стандарт, зарядка до 3,65 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа
- С-рейтинг разряда 1С; в некоторых версиях до 25С; 40 А импульсные токи (до 2 секунд); при 2,50 В срабатывает отсекатель (напряжение ниже 2 В наносит вред)
- Количество циклов заряда/разряда 1000-2000 (зависит от глубины разрядов и температуры)
- Тепловой пробой 270°С. Безопасный даже при полном заряде
- Области применения Портативные и стационарные устройства, где необходимы высокие токи нагрузки и выносливость
Комментарий: Очень ровный график разряда, но небольшая емкость. Один из самых безопасных в семействе литий-ионных. Используется в специализированных устройствах. Повышенный саморазряд.
5. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор (LiNiCoAlO2)
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор, или сокращенно NCA, был разработан в 1999 году и схож с NMC аккумулятором, выделяясь высокой удельной энергоемкостью, достаточно хорошей удельной мощностью и длительным сроком службы. Слабыми местами являются безопасность и стоимость. На рисунке 11 приведены шесть ключевых характеристик этого аккумулятора. NCA электрохимическая система представляет собой дальнейшее развитие литий-никелевой, добавление алюминия дало повышение стабильности.
Рисунок 11: Оценка характеристик NCA аккумулятора.
Высокие показатели энергоемкости и плотности энергии вкупе с хорошей долговечностью делают NCA аккумуляторы интересными для электротранспорта. Но высокая стоимость и показатели безопасности являются недостатком этой электрохимической системы.
Таблица характеристик
литий-никель-кобальт-алюминий-оксидного (NCA) аккумулятора.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксид: LiNiCoAlO2 катод (~9% кобальта), графитовый анод
Сокращенное обозначение: NCA или Li-алюминий
- Напряжение 3,60 В номинальное; стандартный рабочий диапазон — 3,00-4,20 В на ячейку
- Удельная энергоемкость 200-260 Вт*ч/кг, ожидается улучшение до 300 Вт*ч/кг
- С-рейтинг зарядки 0,7С, зарядка до 4,20 В (большинство версий); процесс зарядки обычно занимает 3 часа, для некоторых версий доступна быстрая зарядка
- С-рейтинг разряда 1С стандарт; при 3,00 В срабатывает отсекатель; глубокие разряды укорачивают срок службы
- Количество циклов заряда/разряда 500 (зависит от глубины разрядов и температуры)
- Тепловой пробой Обычно при 150°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
- Области применения Медицинское оборудование, промышленность, электрические силовые агрегаты
Комментарий: По характеристикам очень похож на литий-кобальтовый. В основном используется в устройствах, требующих высокие показатели емкости.
6. Литий-титанатный аккумулятор (Li4Ti5O12)
Аккумуляторы с титанатом лития в составе известны еще с 1980-х. В классическом литий-ионном аккумуляторе анод графитовый, в рассматриваемом же - из нанокристаллов титаната лития. Графит присутствует в составе литий-титанатного аккумулятора, но уже в роли катода. У этого аккумулятора номинальное напряжение ячейки составляет 2,40 В, он может быть очень быстро заряжен и обеспечивает высокий ток разряда - 10С, то есть в 10 раз превышающий показатель его емкости. Количество циклов заряда/разряда больше, чем у обычного литий-ионного.
Литий-титанатный аккумулятор безопасен, имеет отличные низкотемпературные характеристики - при минус 30°С его емкость сохраняется на уровне 80%. Но стоимость такого аккумулятора высока, а показатель удельной энергоемкости в 65 Вт*ч/кг позволяет конкурировать разве что с никель-кадмиевым. Номинальное напряжение ячейки литий-титанатного аккумулятора составляет 2,80 В; работоспособным аккумулятор считается до значения 1,80 В. На рисунке 13 представлены характеристики литий-титанатного аккумулятора. Его типичные области применения – электрические силовые агрегаты, системы аккумулирования электроэнергии и уличное освещение на солнечных элементах.
Рисунок 13: Характеристики литий-титанатного аккумулятора.
Литий-титанатные аккумуляторы имеют отличные показатели безопасности, производительности при низких температурах и долговечности. Ведутся разработки по увеличению удельной энергоемкости и удешевлению производства.
Таблица характеристик литий-титанатного аккумулятора.
Титанат Лития: графитовый катод, Li4Ti5O12 анод
Сокращенное обозначение: LTO или Li-титанат
- Напряжение 2,40 В номинальное; стандартный рабочий диапазон — 1,80-2,75 В на ячейку
- Удельная энергоемкость 70-80 Вт*ч/кг
- С-рейтинг зарядки 1С номинальное; 5С максимальное; зарядка до 2,85 В
- С-рейтинг разряда 10С допустимо; 30С импульс (5 секунд); при 1,80 В срабатывает отсекатель
- Количество циклов заряда/разряда 3000-7000
- Тепловой пробой Один из самых безопасных литий-ионных аккумуляторов
- Области применения ИБП, электрические силовые агрегаты (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit-EV), уличное освещение на солнечных элементах
Комментарий: Длительный срок службы, быстрая зарядка, широкий температурный диапазон, но низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость. Наиболее безопасная литий-ионная аккумуляторная батарея.
На рисунке 15 сравнивается удельная энергоемкость свинцовых,никелевых и литиевых электрохимических систем.
В то время как литий-алюминиевая (NCA) система является явным победителем по этому параметру, не стоит забывать и о других важных характеристиках, где преимущество находится у других систем. В отношении удельной мощности и термической стабильности лидерами являются литий-марганцевая (LMO) и литий-фосфатная системы (LFP). Литий-титанатная (LTO) не отличается выдающейся энергоемкостью, но по продолжительности жизни и низкотемпературным характеристикам ей нет равных. Наиболее полное соответствие требованиям питания электрических силовых агрегатов, безопасности и количеству циклов заряда/разряда по праву делают литий-кобальтовую (LCO) систему самой распространенной на сегодняшний день.
Рисунок 15: Показатели удельной энергоемкости свинцовых, никелевых и литиевых аккумуляторных батарей.
NCA обладают самой высокой удельной энергоемкостью. Тем не менее, марганцевые и фосфатные превосходят по удельной мощности и термической стабильности. Литий-титанатные имеют наибольший срок службы.
Автор: Abramova Olesya
Последнее обновление 2016-02-16