Ми часто говоримо про потрійні літієві батареї або залізо-літієві батареї, які названі на честь позитивного активного матеріалу. Шість поширених типів літієвих батарей включають: літій-кобальт-оксид, літій-манганат, літій-нікель-кобальт-манганат (NCM), літій-нікель-кобальт-алюмінат (NCA), літій-залізо-фосфат і літій-титанат.

1. Літій-кобальт оксид (LiCoO2)

Його висока питома енергія робить оксид літію-кобальту популярним вибором для мобільних телефонів, ноутбуків і цифрових камер. Недоліками оксиду літію і кобальту є відносно короткий термін служби, низька термічна стабільність і обмежена навантажувальна здатність (питома потужність). Як і інші кобальтові гібридні літій-іонні батареї, літій-кобальт-оксид використовує графітовий анод, і його термін служби в основному обмежений інтерфейсом твердого електроліту (SEI), що в основному проявляється в поступовому потовщенні плівки SEI та негативному електродному покритті. під час швидкого заряджання або заряджання при низькій температурі. Проблема з літієм. Новіші системи матеріалів додають нікель, марганець та/або алюміній для покращення терміну служби, вантажопідйомності та зниження вартості.

Оксид літію-кобальту виділяється високою питомою енергією, але забезпечує лише посередню продуктивність з точки зору енергетичних характеристик, безпеки та тривалості циклу.

2. Літій-манганат (LiMn2O4)

Літій-манганатні батареї шпінелі були вперше опубліковані в Materials Research у 1983 році. У 1996 році Moli Energy випустила на комерціалізацію літій-іонні батареї з марганатом літію як катодним матеріалом. Архітектура утворює тривимірну структуру шпінелі, яка покращує потік іонів через електроди, тим самим зменшуючи внутрішній опір і покращуючи здатність до пропускання струму. Ще однією перевагою шпінелі є висока термічна стабільність і підвищена безпека, але обмежений цикл і календарний термін служби.

Низький внутрішній опір батареї дозволяє швидко заряджати та розряджати сильним струмом. Осередки типу 18650, літій-манганатні батареї можна розряджати струмом 20-30 А з помірним накопиченням тепла, а температура батареї не повинна перевищувати 80°C. Манганат літію використовується в електроінструментах, медичних пристроях, гібридних і чисто електричних автомобілях. Ємність манганату літію приблизно на одну третину нижча, ніж у кобальтату літію. Гнучкість конструкції дозволяє інженерам вибирати, максимізувати термін служби батареї або збільшити максимальний струм або ємність навантаження.

Чистий літій-манганатні акумулятори сьогодні вже не є поширеними; вони використовуються лише в особливих випадках.

Більшість манганату літію змішують з літій-нікелем-марганцем-оксидом кобальту (NMC) для збільшення питомої енергії та продовження терміну служби. Ця комбінація забезпечує найкращу продуктивність кожної системи, і більшість електромобілів, таких як Nissan Leaf, Chevrolet Volt і BMW i3, вибирають LMO (NMC). Частина LMO батареї може досягати приблизно 30% і може забезпечити більший струм під час прискорення; частина NMC забезпечує велику дальність.

Дослідження літій-іонних акумуляторів мають тенденцію поєднувати марганат літію з кобальтом, нікелем, марганцем та/або алюмінієм як активні матеріали катода. У деяких архітектурах до негативного електрода додається невелика кількість кремнію. Це забезпечує збільшення ємності на 25%; однак кремній розширюється та стискається під час заряду та розряду, спричиняючи механічну напругу, а підвищення ємності часто тісно пов’язане з коротким терміном служби.

3. Літій-нікель-кобальтманганат (NMC)

Однією з найуспішніших літій-іонних систем є катодна комбінація нікель-марганець-кобальт (NMC). Подібно до манганату літію, цю систему можна пристосувати для використання як енергетичну або силову батарею. Наприклад, NMC в акумуляторі 18650 за умов помірного навантаження має ємність близько 2800 мАг і може забезпечити струм розряду від 4 А до 5 А; той самий тип NMC, оптимізований для певної потужності, має ємність лише 2000 мАг, але може забезпечити 20 А безперервного струму розряду. Негативний електрод на основі кремнію сягатиме понад 4000 мАг, але ємність навантаження зменшується, а термін служби циклу скорочується. Кремній, доданий до графіту, має дефект, що негативний електрод розширюється та стискається під час заряджання та розряджання, що робить акумулятор механічно напруженим і структурно нестабільним.

Секрет NMC полягає в поєднанні нікелю та марганцю. Подібно до цього є кухонна сіль, де основні компоненти натрій і хлорид токсичні самі по собі, але їх змішують разом як приправу та харчові консерванти. Нікель відомий своєю високою питомою енергією, але поганою стабільністю; структура марганцевої шпінелі може досягти низького внутрішнього опору, але низької питомої енергії. Переваги двох активних металів доповнюють один одного.

NMC — найкращий акумулятор для електроінструментів, електровелосипедів та інших електричних приводів. Комбінація позитивних електродів зазвичай складається з однієї третини нікелю, однієї третини марганцю та однієї третини кобальту, також відомого як 1-1-1. Це забезпечує унікальну суміш, яка також знижує витрати на сировину завдяки зниженому вмісту кобальту. Ще одним вдалим поєднанням є NCM, який містить 5 частин нікелю, 3 частини кобальту.