리튬 이온의 유형

출처 : https://batteryuniversity.com

리튬 이온은 활성 물질로 명명됩니다. 단어는 화학 기호로 가득 차거나 짧게 씁니다. 일련의 글자와 숫자를 함께 쓰는 것은 기억하기 어렵고 발음하기가 더 어려울 수 있으며 배터리 화학은 단축 문자로도 식별됩니다.

예를 들어, 가장 일반적인 리튬 이온 중 하나 인 리튬 코발트 산화물은 화학 기호 LiCoO2와 약어 LCO를 가지고 있습니다. 단순성을 이유로, 짧은 형태의 리튬 코발트도이 배터리에 사용할 수 있습니다. 코발트는이 배터리 특성을 제공하는 주요 활성 물질입니다. 다른 리튬 이온 화학 약품은 유사한 약식 이름이 부여됩니다. 이 섹션에는 6 가지 가장 일반적인 리튬 이온이 나와 있습니다. 모든 수치는 서면 작성 당시의 평균 수치입니다.

리튬 코발트 산화물 (LiCoO2)

높은 비 에너지는 리튬 코발트를 휴대 전화, 노트북 및 디지털 카메라에 널리 사용됩니다. 전지는 산화 코발트 음극 및 흑연 탄소 양극으로 구성됩니다. 음극은 층상 구조를 가지며, 방전 중에 리튬 이온은 양극에서 음극으로 이동한다. 충전시에는 역류가 역전됩니다. 리튬 코발트의 단점은 상대적으로 수명이 짧고 열 안정성이 낮으며 제한된 부하 성능 (비 력)입니다. 그림 1은 구조를 보여줍니다.

리튬 코발트의 단점은 상대적으로 수명이 짧고 열 안정성이 낮으며 제한된 부하 성능 (비 력)입니다. 다른 코발트 - 혼합 된 리튬 이온과 마찬가지로, Li- 코발트는 변화하는 고체 전해질 계면 (SEI)에 의한 사이클 수명을 제한하는 흑연 양극을 가지며, 저온에서의 급속 충전 및 충전 중에 양극 및 리튬 도금의 농축을 이룬다 . 최신 시스템에는 수명, 로딩 기능 및 비용을 향상시키기 위해 니켈, 망간 및 / 또는 알루미늄이 포함됩니다.

리튬 코발트는 C 등급보다 높은 전류로 충전 및 방전되어서는 안됩니다. 이것은 2,400mAh의 18650 셀은 2,400mA에서만 충전 및 방전 될 수 있음을 의미합니다. 급속 충전을 강요하거나 2,400mA보다 높은 부하를인가하면 과열과 과도한 스트레스가 발생합니다. 최적의 고속 충전을 위해 제조업체는 0.8C 또는 약 2,000mA의 C 속도를 권장합니다. ( BU-402 : C-rate이란 무엇입니까? ) 필수 배터리 보호 회로는 충전 및 방전 속도를 에너지 셀에 대해 약 1C의 안전한 수준으로 제한합니다.

6 각형 스파이더 그래픽 (그림 2)은 런타임과 관련된 특정 에너지 또는 용량 측면에서 Li-Cobalt의 성능을 요약합니다. 특정한 힘 또는 높은 전류를 전달하는 능력; 안전; 고온 및 저온에서의 성능 ; 주기 수명과 수명을 반영한 수명; 및 비용 . 스파이더 웹에 표시되지 않은 관심의 다른 특성은 독성, 급속 충전 기능,자가 방전 및 유효 기간입니다. ( BU-104c : The Octagon Battery - 배터리를 배터리로 만드는 이유 참조 ).

리튬 - 코발트는 코발트의 높은 비용과 다른 활성 음극 물질과의 혼합에 의한 성능 향상으로 인해 리튬 - 망간, 특히 NMC 및 NCA에 유리하지 못합니다. 아래 NMC 및 NCA에 대한 설명을 참조하십시오.

요약 표

표 3 : 코발트 산 리튬의 특성.

리튬 망간 산화물 (LiMn2O4)

망간 스피넬이 함유 된 리튬 이온은 1983 년 Materials Research Bulletin 에서 처음 출판되었습니다. 1996 년 Moli Energy는 리튬 망간 산화물을 음극 물질로 사용하여 리튬 이온 셀을 상용화했습니다. 이 구조는 전극의 이온 흐름을 개선하는 3 차원 스피넬 구조를 형성하여 내부 저항을 낮추고 전류 처리를 향상시킵니다. 스피넬의 또 다른 장점은 높은 열 안정성과 향상된 안전성이지만 사이클과 캘린더 수명은 제한적입니다.

낮은 내부 셀 저항으로 빠른 충전 및 고전류 방전이 가능합니다. 18650 패키지에서 리튬 망간은 적당한 열 축적으로 20-30A의 전류로 방전 될 수 있습니다. 최대 50A의 1 초로드 펄스를 적용 할 수도 있습니다. 이 전류에서 지속적으로 높은 부하가 발생하면 열이 발생하고 셀 온도는 80 ° C (176 ° F)를 초과 할 수 없습니다. 리튬 - 망간은 전동 공구, 의료 기기, 하이브리드 및 전기 자동차에 사용됩니다.

그림 4는 리튬 망간 배터리의 음극에 입체 결정 골격이 형성되는 것을 보여줍니다. 이 첨 정석 구조는 대개 격자 모양으로 연결된 다이아몬드 모양으로 구성되어 있으며 초기 형성 후에 나타납니다.

리튬 망간은 리튬 코발트보다 약 1/3 낮은 용량을 가지고있다. 설계 유연성을 통해 엔지니어는 최적의 수명 (수명), 최대 부하 전류 (특정 전력) 또는 고용량 (비 에너지) 중 하나를 위해 배터리를 최대화 할 수 있습니다. 예를 들어, 18650 셀의 수명이 긴 버전은 약 1,100mAh의 적당한 용량을 가지고 있습니다. 대용량 버전은 1,500mAh입니다.

그림 5는 전형적인 리튬 망간 배터리의 스파이더 웹을 보여줍니다. 특성은 한계가 있지만 새로운 디자인은 비 력, 안전 및 수명면에서 개선되었습니다. 순수한 리튬 망간 전지는 오늘날 더 이상 일반적이지 않습니다. 특수 용도로만 사용할 수 있습니다.

대부분의 리튬 망간 건전지는 비 니켈 니켈 망간 코발트 산화물 (NMC)과 혼합되어 비 에너지를 향상시키고 수명을 연장시킵니다. 이 조합은 각 시스템에서 최고를 이끌어 내며 LMO (NMC)는 Nissan Leaf, Chevy Volt 및 BMW i3와 같은 대부분의 전기 자동차에 선택됩니다. 배터리의 LMO 부분 (약 30 %가 될 수 있음)은 가속시 높은 전류 증가를 제공합니다. NMC 부품은 긴 주행 거리를 제공합니다.

리튬 이온 연구는 리튬 망간과 코발트, 니켈, 망간 및 / 또는 알루미늄을 활성 음극 물질로 결합하는 것에 크게 중점을두고 있습니다. 일부 아키텍처에서는 소량의 실리콘이 양극에 추가됩니다. 이는 25 %의 용량 증가를 제공합니다. 그러나 일반적으로 실리콘은 충전 및 방전시 실리콘이 성장하고 수축함에 따라 더 짧은 사이클 수명으로 연결되어 기계적 응력을 유발합니다.

이 세 가지 활성 금속뿐만 아니라 실리콘 강화는 특정 에너지 (용량), 특정 전력 (부하 용량) 또는 수명을 향상시키기 위해 편리하게 선택할 수 있습니다. 소비자 용 배터리는 고용량을 요구하는 반면, 산업 어플리케이션은 양호한 로딩 기능을 갖추고 긴 수명을 제공하며 안전하고 신뢰할 수있는 서비스를 제공하는 배터리 시스템을 필요로합니다.

요약 표

표 6 : 리튬 망간 산화물의 특성.

리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (LiNiMnCoO2 또는 NMC)

가장 성공적인 리튬 이온 시스템 중 하나는 니켈 - 망간 - 코발트 (NMC)의 음극 조합입니다. Li-manganese와 마찬가지로이 시스템은 에너지 셀 또는 전력 셀로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 중형 부하 조건을위한 18650 셀의 NMC는 약 2,800mAh의 용량을 가지며 4A ~ 5A를 제공 할 수 있습니다. 특정 전원에 최적화 된 동일한 셀의 NMC는 약 2,000mAh의 용량을 갖지만 20A의 연속 방전 전류를 제공합니다. 실리콘 기반의 애노드는 4000mAh 이상이지만 부하 용량 및 수명주기가 짧아집니다. 흑연에 첨가 된 실리콘은 양극이 충전 및 방전과 함께 성장 및 수축되어 전지를 기계적으로 불안정하게 만든다는 단점이있다.

NMC의 비밀은 니켈과 망간의 결합에 있습니다. 이것의 유추는 주성분 인 나트륨과 염화물이 스스로 독성을 지니지 만 식용 소금과 식품 보존제로 사용되는 식탁 소금입니다. 니켈은 높은 비 에너지이지만 안정성이 낮다. 망간은 낮은 내부 저항을 얻기 위해 스피넬 구조를 형성하는 이점이 있지만 낮은 비 에너지를 제공합니다. 금속을 결합하면 서로의 힘이 향상됩니다.

NMC는 전동 공구, 전자 자전거 및 기타 전동 장치 용 배터리로 선택됩니다. 음극의 조합은 일반적으로 1/3 니켈, 1/3 망간 및 1/3 코발트이며 1-1-1로도 알려져 있습니다. 이것은 코발트 함량을 줄임으로써 원료 비용을 낮추는 독특한 블렌드를 제공합니다. 또 다른 성공적인 조합은 니켈 5 부, 코발트 3 부, 망간 2 부 (5-3-2)를 포함한 NCM입니다. 다양한 양의 음극 물질을 사용하는 다른 조합도 가능합니다.

코발트 비용이 높기 때문에 배터리 제조업체는 코발트 시스템에서 니켈 음극으로 이동합니다. 니켈 기반 시스템은 코발트 기반 셀보다 에너지 밀도가 높고 비용이 낮으며 사이클 수명이 길지만 전압이 약간 낮습니다.

새로운 전해질 및 첨가제는 용량을 높이기 위해 4.4V / 셀 이상으로 충전 할 수 있습니다. 그림 7은 NMC의 특성을 보여줍니다.

시스템을 경제적으로 구축 할 수 있고 우수한 성능을 달성 할 수 있으므로 NMC 혼합 Li 이온으로 전환 할 수 있습니다. 니켈, 망간 및 코발트의 3 가지 활성 물질은 빈번한 사이클링을 필요로하는 자동차 및 에너지 저장 시스템 (EES)을위한 광범위한 응용 분야에 쉽게 혼합 될 수 있습니다. NMC 가족은 다양성이 커지고 있습니다.

요약 표

도표 8 : 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NMC)의 특성.

리튬 인산염 (LiFePO ₄ )

1996 년 텍사스 대학 (및 기타 공헌자)은 충전 용 리튬 배터리의 음극 물질로 인산염을 발견했습니다. 리튬 인산염은 낮은 저항으로 우수한 전기 화학 성능을 제공합니다. 이것은 나노 스케일 인산 음극 물질로 가능합니다. 주요 장점은 높은 열 안정성, 학대시 안전성 및 내구성 향상과 더불어 고전류 등급 및 긴 사이클 수명입니다.

리튬 인산염은 완전 충전 조건에 보다 내성이 있으며 장시간 고전압으로 유지하면 다른 리튬 이온 시스템보다 덜 스트레스를받습니다. ( BU-808 : 리튬 기반 배터리를 늘리는 방법 참조). 절충안으로 3.2V / 셀의보다 낮은 공칭 전압은 코발트 혼합 리튬 이온보다 낮은 비 에너지를 감소시킵니다. 대부분의 배터리를 사용하면 차가운 온도로 인해 성능이 저하되고 보관 온도가 높아져 서비스 수명이 단축되고 Li-phosphate도 예외는 아닙니다. 리튬 인산염은 다른 리튬 이온 전지보다 자기 방전이 높기 때문에 노화에 따른 균형 문제가 발생할 수 있습니다. 고품질의 셀을 구입하거나 정교한 제어 전자 장치를 사용함으로써이 문제를 완화 할 수 있습니다. 둘 다 팩의 비용을 증가시킵니다. 장수명은 제조업의 청결성이 중요합니다. 배터리가 50 사이클 만 공급되지 않도록 습기에 대한 허용 오차가 없습니다. 그림 9는 Li-phosphate의 속성을 요약 한 것입니다.

납 산성 스타터 배터리를 대체하기 위해 종종 리튬 인산염이 사용됩니다. 직렬로 연결된 4 개의 셀은 12.80V를 발생 시키며 6V 2V 납산 셀과 유사한 전압을 직렬로 발생시킵니다. 차량은 납 산을 14.40V (2.40V / 셀)로 충전하고 토핑 충전을 유지합니다. 토핑 충전은 완전 충전 수준을 유지하고 1 차 산 배터리 에서 황산염 을 방지하기 위해 적용됩니다 .

4 개의 리튬 인산염 전지를 직렬로 연결하면 각 전지의 최고 충전 전압은 3.60V로 최고 수준이다. 이 시점에서, 요금은 분리되어야하지만 토핑 요금은 운전하는 동안 계속됩니다. 인산염은 일부 과충전에 대해 내성이 있습니다. 그러나 대부분의 차량이 장거리 여행을 할 때 장시간 동안 14.40V에서 전압을 유지하면 Li- 인산염이 스트레스를받을 수 있습니다. 시간은 내구성있는 Li-Phosphate가 표준 차량 충전 시스템으로 납을 대체 할 수있는 방법을 알려줍니다. 저온은 또한 리튬 이온의 성능을 감소시키고 이것은 극한의 경우 크 랭킹 능력에 영향을 줄 수 있습니다.

요약 표

표 10 : 인산 철 리튬의 특성.

리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (LiNiCoAlO ₂ )

리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 배터리 (NCA)는 특별한 용도로 1999 년부터 사용되어 왔습니다. 높은 비 에너지, 합리적으로 우수한 비상력 및 긴 수명을 제공함으로써 NMC와 유사점을 공유합니다. 덜 아첨하는 것은 안전과 비용입니다. 그림 11은 여섯 가지 주요 특징을 요약합니다. NCA는 리튬 니켈 산화물의 추가 개발입니다. 알루미늄을 첨가하면 화학적 안정성이 향상됩니다.

요약 표

도표 12 : 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물의 특성.

리튬 티타 네이트 (Li4Ti5O12)

리튬 티타 네이트 애노드를 갖는 전지는 1980 년대부터 알려져왔다. 리튬 티타 네이트는 전형적인 리튬 이온 배터리의 애노드에서 흑연을 대체하고 물질은 스피넬 구조로 형성됩니다. 음극은 리튬 망간 산화물 또는 NMC 일 수 있습니다. 리튬 티타 네이트는 2.40V의 공칭 셀 전압을 가지며 빠른 충전이 가능하며 10C 또는 10 배의 높은 방전 전류를 제공합니다. 사이클 수는 일반 리튬 이온의 것보다 높다고합니다. 리튬 티타 네이트는 안전하며 저온 방전 특성이 우수하며 -30 ° C (-22 ° F)에서 80 %의 용량을 얻을 수 있습니다.

LTO (일반적으로 Li4Ti5O12)는 저온에서 급속 충전 및 충전시 제로 변형 특성, SEI 필름 형성 및 리튬 도금을 달성함으로써 흑연 양극을 갖는 종래의 코발트 - 혼합 Li- 이온에 비해 장점을 갖는다. 고온에서의 열 안정성은 다른 리튬 이온 시스템보다 우수합니다. 그러나 배터리는 비싸다. 단 65Wh / kg에서 특정 에너지는 NiCd의 에너지와 비교해 낮습니다. 리튬 티타 네이트는 2.80V / 셀로 충전되고, 방전 종료는 1.80V / 셀이다. 그림 13은 리튬 티타 네이트 배터리의 특성을 보여줍니다. 전형적인 용도는 전기 전동 장치, UPS 및 태양 광 가로등입니다.
 

요약 표

표 14 : 티탄산 리튬의 특성.

그림 15는 납, 니켈 및 리튬 기반 시스템의 비 에너지를 비교합니다. 리튬 - 알루미늄 (NCA)은 다른 시스템보다 많은 용량을 저장함으로써 확실한 승자이지만, 이것은 특정 에너지에만 적용됩니다. 비금속 및 열적 안정성면에서 Li-Mn (Li-Mn) 및 Li-phosphate (LFP)가 우수합니다. 리튬 티타 네이트 (LTO)는 낮은 용량을 가질 수 있지만이 화학 물질은 수명면에서 다른 대부분의 배터리보다 수명이 길며 최상의 저온 성능을 제공합니다. 전기 전동 장치쪽으로 이동하면 안전 및 사이클 수명이 용량보다 우세 해집니다. (LCO는 원래의 리튬 이온 인 Li-Cobalt를 나타냅니다.)

도표 15 : 납, 니켈 및 리튬 기반 배터리의 일반적인 비 에너지.
NCA는 가장 높은 비 에너지를 누리고 있습니다. 그러나, 망간 및 인산염은 비열 및 열 안정성면에서 우수합니다. 리튬 티타 네이트는 최고의 수명을 가지고 있습니다.
^{Cadex의 의례}