Szybkie zrozumienie właściwości i parametrów sześciu popularnych baterii litowych (3/6)

March 11, 2019

LiMn 2 O 4

Spinelowe baterie litowo-manganowe zostały po raz pierwszy zgłoszone w 1983 r. W 1996 r. Moli Energy Company skomercjalizowała akumulatory litowo-jonowe z użyciem manganianu litu jako materiału katody. Struktura tworzy trójwymiarową strukturę spinelu, która może poprawić przepływ jonów na elektrodzie, zmniejszając w ten sposób opór wewnętrzny i poprawiając zdolność przenoszenia prądu. Inną zaletą spinelu jest jego wysoka stabilność termiczna i bezpieczeństwo, ale jego cykl i długość życia kalendarzowego są ograniczone.

Moc jest rozładowywana przy prądzie 20-30A przy umiarkowanej akumulacji ciepła. Można również zastosować impulsy obciążenia do 50A1 sekund. Ciągłe wysokie obciążenie przy tym prądzie prowadzi do akumulacji ciepła, a temperatura baterii nie powinna przekraczać 80 C (176 F). Manganian litu używany jest w narzędziach elektrycznych, urządzeniach medycznych oraz pojazdach hybrydowych i czysto elektrycznych.

Figura 4 ilustruje tworzenie trójwymiarowego krystalicznego szkieletu na katodzie baterii litowo-manganianowej. Struktura spinelu zwykle składa się z rombowego kształtu połączonego z kratownicą i zwykle występuje po utworzeniu baterii.

Figura 4: Struktura manganonianu litu. Krystalizacja katody z użyciem manganianu litu ma trójwymiarową strukturę szkieletu utworzoną po utworzeniu. Spinel zapewnia niską rezystancję, ale niższą energię właściwą niż kobalt litu.
Wydajność manganianu litu jest o około jedną trzecią niższa niż w przypadku kobaltu litu. Elastyczność projektowania pozwala inżynierom wybrać maksymalizację żywotności baterii lub zwiększyć maksymalny prąd obciążenia (moc właściwa) lub pojemność (energia właściwa). Na przykład długa żywotność baterii 18650 ma umiarkowaną pojemność zaledwie 1100 mAh, podczas gdy wersja o dużej pojemności ma umiarkowaną pojemność 1500 mAh. Figura 5 pokazuje schemat krzyżowy typowej baterii na bazie litu. Te charakterystyczne parametry nie wydają się idealne, ale nowa konstrukcja poprawia moc, bezpieczeństwo i życie. Czyste baterie litowo-manganowe nie są już dziś powszechne; są używane tylko w szczególnych sytuacjach.
Ryc. 5: Schemat pająka z czystej baterii manganowej.
Pomimo ogólnej wydajności, nowa konstrukcja langanowo-manganowego może poprawić moc, bezpieczeństwo i życie.

Większość manganianu litu jest mieszana z litowo-niklowo-manganowym tlenkiem kobaltu (NMC) w celu zwiększenia określonej energii i przedłużenia żywotności. Ta kombinacja zapewnia najlepszą wydajność każdego układu, a większość pojazdów elektrycznych, takich jak Nissan Leaf, Chevrolet Volt i BMW i3, korzysta z LMO (NMC). Część baterii LMO może osiągnąć około 30% i zapewnić wyższy prąd przy przyspieszaniu, podczas gdy część NMC zapewnia duży zasięg.

Akumulatory litowo-jonowe mają tendencję do łączenia manganianu litu z kobaltem, niklem, manganem i / lub aluminium jako aktywne materiały katodowe. W niektórych architekturach do anody dodaje się niewielką ilość krzemu. Zapewnia to wzrost pojemności o 25%; jednakże, ponieważ krzem rozszerza się i kurczy podczas ładowania i rozładowania, powoduje mechaniczne obciążenie, które jest zwykle ściśle związane z krótkim cyklem życia.

Te trzy rodzaje aktywnych metali i zbrojenie krzemowe można wygodnie dobrać w celu poprawy określonej energii (pojemności), określonej mocy (obciążenia) lub żywotności. Baterie konsumenckie potrzebują dużej pojemności, podczas gdy aplikacje przemysłowe wymagają systemów akumulatorowych, które mają dobrą ładowność, długą żywotność i zapewniają bezpieczne i niezawodne usługi.

Tabelka podsumowująca

Tlenek manganianu litu: katoda LiMn2O4, anoda grafitowa;

Skrót: LMO lub Li-Mn (struktura spinelowa) od 1996

3,70 V (3,80 V) 3,0-4,2 V Napięcie 3,70 V (3,80 V) wartość nominalna; Typowy zakres roboczy 3,0-4,2 V / akumulator

Energia właściwa (pojemność) 100-150 Wh / kg

Typowa wartość ładowania (C) wynosi 0,7-1C, maksymalna wartość to 3C, ładowanie do 4,20 V (większość akumulatorów)

Wyładowanie (szybkość C) 1C; Niektóre akumulatory mogą osiągać 10C, 30C impulsów (5s), odcięcie 2.50V.

Cykl życia 300-700 (w zależności od głębokości rozładowania i temperatury)

Typowa wartość termicznej niekontrolowanej pracy wynosi 250 stopni C (482 stopni F). Wysoki ładunek promuje niekontrolowany wzrost temperatury

Zastosowanie narzędzi elektrycznych, sprzętu medycznego, systemu elektroenergetycznego przesyłu

Uwagi: Wysoka moc, ale niska pojemność; bezpieczniejszy niż kobalt litu; zwykle zmieszane z NMC w celu poprawy wydajności.