Six types communs de batteries au lithium et leurs principaux paramètres de performance

Nous parlons souvent de batteries au lithium ternaires ou de batteries au lithium fer, qui portent le nom de batteries au lithium d'après des matériaux actifs à cathode.Ce document résume les six types de batteries au lithium les plus courants et leurs principaux paramètres de performanceComme nous le savons tous, la même voie technique de la cellule, les paramètres spécifiques ne sont pas exactement les mêmes, ce document montre le niveau général des paramètres actuels.Les six batteries au lithium comprennent: oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2), manganate de lithium-manganèse (LiMn2O4), manganate de lithium-nickel-cobalt (LiNiMnCoO2 ou NMC), aluminate de lithium-nickel-cobalt (LiNiCoAlO2 ou NCA),une teneur en phosphate de fer de lithium (LiFePO4) et en titanate de lithium (Li4Ti5O12).

L'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) Sa forte énergie spécifique fait de l'oxyde de lithium-cobalt un choix populaire pour les téléphones portables, les ordinateurs portables et les appareils photo numériques.La batterie est constituée d'une cathode d'oxyde de cobalt et d'une anode de graphite et de carboneLa cathode a une structure en couches, au cours de laquelle les ions lithium se déplacent de l'anode à la cathode, et le processus de charge circule dans la direction opposée.Pendant la déchargeLes ions lithium se déplacent de l'anode à la cathode; le flux de l'anode à la cathode pendant la charge.faible stabilité thermique et capacité de charge limitée (puissance spécifique)Comme d'autres batteries hybrides au lithium-ion au cobalt, l'oxyde de lithium-cobalt utilise une anode de graphite et sa durée de vie est principalement limitée par l'interface d'électrolyte solide (SEI).se reflète principalement dans l'épaississement progressif du film SEILes systèmes de matériaux plus récents ajoutent du nickel, du manganèse et/ou de l'aluminium pour améliorer la durée de vie.capacité de charge et réduire les coûtsL'oxyde de lithium cobalt ne doit pas être chargé et déchargé à un courant supérieur à la capacité.400 mAh ne peuvent être chargés et déchargés qu'à une vitesse inférieure ou égale à 2Pour une charge rapide optimale, le fabricant recommande un multiplicateur de charge de 0.8C ou environ 2Le circuit de protection de la batterie limite les débits de charge et de décharge de l'unité d'énergie à un niveau de sécurité d'environ 1C.

La batterie au manganate de lithium (LiMn2O4) a été publiée pour la première fois en 1983. En 1996, Moli Energy a commercialisé des batteries lithium-ion avec de l'oxyde de lithium-manganèse comme matériau cathodique.L'architecture forme une structure spinale tridimensionnelle qui améliore le flux d'ions sur l'électrode et, réduisant ainsi la résistance interne et améliorant la capacité de charge du courant.mais une durée de vie cyclique et calendaire limitéeLa faible résistance interne de la batterie permet une charge rapide et une décharge de courant élevée.avec une accumulation de chaleur modéréeUne charge constante élevée à ce courant provoque une accumulation de chaleur et la température de la batterie ne peut pas dépasser 80 °C (176 °F).Le manganate de lithium est utilisé dans les outils électriquesLe manganate de lithium est environ un tiers moins puissant que l'oxyde de lithium-cobalt.La souplesse de la conception permet aux ingénieurs de choisir de maximiser la durée de vie de la batterie., ou pour augmenter le courant de charge maximal (puissance spécifique) ou la capacité (énergie spécifique). Par exemple, la version longue durée de vie de la batterie 18650 n'a qu'une capacité modeste de 1 100 mAh;la version à grande capacité est dotée de 1500 mAh.

La plupart de l'oxyde de lithium-manganèse est mélangé avec de l'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC) pour augmenter l'énergie spécifique et prolonger la durée de vie.et la plupart des véhicules électriques, comme la Nissan Leaf, la Chevrolet Volt et la BMW i3, ont le LMO (NMC). La partie LMO de la batterie peut atteindre environ 30%, ce qui peut fournir un courant élevé lors de l'accélération;et la partie NMC fournit une longue portéeLes études sur les batteries lithium-ion ont tendance à combiner l'oxyde de lithium manganèse avec du cobalt, du nickel, du manganèse et/ou de l'aluminium comme matériaux actifs de cathode.une petite quantité de silicium est ajoutée à l'anodeCela permet une augmentation de la capacité de 25%; cependant, le silicium se dilate et se contracte avec la charge et la décharge, ce qui provoque des contraintes mécaniques.et l'augmentation de la capacité est souvent étroitement associée à une durée de vie de cycle courteCes trois métaux actifs et l'amélioration du silicium peuvent être facilement sélectionnés pour améliorer l'énergie spécifique (capacité), la puissance spécifique (capacité de charge) ou la durée de vie.,tandis que les applications industrielles nécessitent des systèmes de batteries, avec une bonne capacité de charge, une longue durée de vie et des services sûrs et fiables.

L'un des systèmes lithium-ion les plus réussis de lithium-nickel-cobalt-manganate (LiNiMnCoO2 ou NMC) est la combinaison cathodique de nickel-nickel-manganèse-cobalt (NMC).Similaire au manganate de lithiumPar exemple, le NMC d'une batterie 18650 dans des conditions de charge moyenne a une capacité d'environ800mAh et peut fournir des courants de décharge de 4A à 5A; le même type de NMC est optimisé pour une puissance spécifique d'une capacité de seulement 2 000 mAh, mais peut fournir un courant de décharge continu de 20 A. L'anode à base de silicium atteindra plus de 4 000 mAh,mais la capacité de charge est réduite et la durée de vie du cycle est raccourcieLe silicium ajouté au graphite présente un défaut, c'est-à-dire que l'anode se dilate et se contracte avec la charge et la décharge, rendant la grande structure de contrainte mécanique de la batterie instable.Le secret du NMC est la combinaison de nickel et de manganèseComme c'est le cas du sel de table, où les principaux ingrédients du sodium et du chlorure sont eux-mêmes toxiques, mais ils sont mélangés comme sels aromatisants et agents de conservation des aliments.Le nickel est connu pour son énergie spécifique élevéeLes deux métaux actifs présentent des avantages complémentaires.La NMC est la batterie de choix pour les outils électriquesLes combinaisons cathodiques sont généralement un tiers de nickel, un tiers de manganèse et un tiers de cobalt, également connu sous le nom de 1-1-1.Cela permet de créer un mélange unique qui réduit également les coûts des matières premières en raison de la réduction de la teneur en cobalt.Une autre combinaison réussie était la NCM, qui contenait 5 parties de nickel, 3 parties de cobalt et 2 parties de manganèse (5 3-2).D'autres combinaisons de différentes quantités de matériaux de cathode peuvent également être utilisées.En raison du coût élevé du cobalt, les fabricants de batteries sont passés du cobalt à la cathode au nickel.et une durée de vie plus longue que les batteries à base de cobalt, mais elles ont des tensions légèrement inférieures.

Le phosphate de fer de lithium (LiFePO 4) En 1996, l'Université du Texas a découvert que le phosphate pouvait être utilisé comme matériau cathodique pour les batteries rechargeables au lithium.Le phosphate de lithium a de bonnes propriétés électrochimiques et une faible résistanceLes principaux avantages sont un courant nominal élevé et une longue durée de vie, une bonne stabilité thermique, une sécurité accrue et une tolérance aux abus.Si maintenu à haute tension pendant de longues périodesLe phosphate de lithium est plus tolérant à toutes les conditions de charge et moins stressé que les autres systèmes lithium-ion.La tension nominale de la batterie de 2 V rend l'énergie spécifique inférieure à celle des batteries lithium-ion dopées au cobaltPour la plupart des batteries, les basses températures réduisent les performances, l'augmentation des températures de stockage raccourcit la durée de vie, et le phosphate de lithium ne fait pas exception.Le phosphate de lithium a une auto-décharge plus élevée que les autres batteries lithium-ion, qui peuvent entraîner des problèmes de vieillissement et d'équilibrage supplémentaires, qui peuvent être compensés par l'utilisation de batteries de haute qualité ou par l'utilisation de systèmes de gestion avancés des batteries,mais les deux méthodes augmentent le coût de la batterieLa durée de vie de la batterie est très sensible aux impuretés dans le processus de fabrication et ne peut pas résister au dopage de l'eau.certaines batteries ont une durée de vie minimale de seulement 50 cyclesLa figure 9 résume les propriétés du phosphate de lithium. Le phosphate de lithium est couramment utilisé à la place des batteries de démarrage au plomb-acide.d'une tension similaire à celle des six piles plomb-acide de 2 V en sérieLe véhicule recharge l'acide plomb au 14,40V (2,40V/batterie) et reste flottant chargé.La charge flottante est destinée à maintenir le niveau de charge complet et à prévenir la sulfatation des piles au plomb-acide..

Les batteries au lithium nickel-cobalt aluminate (LiNiCoAlO2 ou NCA) sont utilisées depuis 1999.La puissance spécifique est assez bonne et la durée de vie est similaire à celle du NMC.La sécurité et le coût sont moins flatteurs.

Le titanate de lithium (Li4Ti5O12) Les batteries à anode au titanate de lithium sont connues depuis les années 1980.et le matériau forme une structure de spinelleLa cathode peut être du manganate de lithium ou du NMC. Le titanate de lithium a une tension nominale de la batterie de 2,40 V, qui peut être rapidement chargée et fournit un courant de décharge élevé de 10 C.Le nombre de cycles est supérieur à celui des batteries lithium-ion classiques.Le titanate de lithium est sans danger et possède d'excellentes propriétés de décharge à basse température, atteignant 80% de la capacité à 30 °C (-22 °F).aucune formation de membrane SEI et aucun phénomène de galvanoplastie au lithium lors de la charge rapide et de la charge à basse température, il a donc les meilleures performances de charge-décharge de l'anode Li-ion et de graphite mixte au cobalt traditionnel. La stabilité thermique à haute température est également meilleure que les autres systèmes lithium-ion;CependantL'énergie spécifique est faible, seulement 65Wh/kg, comparable au NiCd. Le titanate de lithium est chargé à 2,80V et 1,80V à la décharge.La figure 13 montre les propriétés des batteries au titanate de lithiumLes utilisations typiques sont un groupe motopropulseur électrique, un UPS et des lampadaires solaires.Le manganate de lithium et le phosphate de fer de lithium fournissent une puissance spécifique et une stabilité thermique supérieuresLe titanate de lithium a la meilleure durée de vie.