Tipos De Iones De Litio

- Feb 21, 2019-

Fuente: https://batteryuniversity.com

El ion litio se llama así por sus materiales activos; Las palabras están escritas en su totalidad o acortadas por sus símbolos químicos. Una serie de letras y números unidos puede ser difícil de recordar e incluso más difícil de pronunciar, y las características químicas de la batería también se identifican en letras abreviadas.

Por ejemplo, el óxido de cobalto de litio, uno de los iones Li más comunes, tiene los símbolos químicos LiCoO 2 y la abreviatura LCO. Por razones de simplicidad, la forma corta Li-cobalto también se puede utilizar para esta batería. El cobalto es el principal material activo que le da a esta batería el carácter. A otras químicas de Li-ion se les da nombres cortos de forma similar. Esta sección enumera seis de los iones de litio más comunes. Todas las lecturas son estimaciones promedio al momento de escribir.

Óxido de cobalto de litio (LiCoO 2 )

Su alta energía específica hace de Li-cobalt la opción popular para teléfonos móviles, computadoras portátiles y cámaras digitales. La batería consta de un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de carbono de grafito. El cátodo tiene una estructura en capas y durante la descarga, los iones de litio se mueven desde el ánodo al cátodo. El flujo se invierte en la carga. El inconveniente de Li-cobalto es su vida útil relativamente corta, baja estabilidad térmica y capacidades de carga limitadas (potencia específica). La figura 1 ilustra la estructura.


image

Figura 1 : Estructura de li-cobalto.
El cátodo tiene una estructura en capas. Durante la descarga, los iones de litio se mueven desde el ánodo al cátodo; En carga el flujo es de cátodo a ánodo.


El inconveniente de Li-cobalto es su vida útil relativamente corta, baja estabilidad térmica y capacidades de carga limitadas (potencia específica). Al igual que otros iones de litio de mezcla de cobalto, el li-cobalto tiene un ánodo de grafito que limita la vida del ciclo mediante una interfaz de electrolito sólido cambiante (SEI) , engrosamiento del ánodo y placas de litio mientras se carga y carga a baja temperatura. Los sistemas más nuevos incluyen níquel, manganeso y / o aluminio para mejorar la longevidad, la capacidad de carga y el costo.

Li-cobalto no debe cargarse ni descargarse a una corriente superior a su calificación C. Esto significa que una celda 18650 con 2,400 mAh solo se puede cargar y descargar a 2,400 mA. Forzar una carga rápida o aplicar una carga superior a 2,400 mA provoca un sobrecalentamiento y una tensión indebida. Para una carga rápida óptima, el fabricante recomienda una tasa C de 0.8C o aproximadamente 2,000mA. (Se e BU-402: ¿Qué es la tasa C? ). El circuito obligatorio de protección de la batería limita la carga y la velocidad de descarga a un nivel seguro de aproximadamente 1 C para la celda de energía.

El gráfico de araña hexagonal (Figura 2) resume el rendimiento de Li-cobalto en términos de energía o capacidad específica que se relaciona con el tiempo de ejecución; poder específico o la capacidad de entregar alta corriente; la seguridad; rendimiento a temperaturas altas y bajas; ciclo de vida que refleja el ciclo de vida y la longevidad; y el costo . Otras características de interés que no se muestran en las telas de araña son la toxicidad, las capacidades de carga rápida, la autodescarga y la vida útil. (Consulte BU-104c: La batería Octagon: qué hace que una batería sea una batería ).

El Li-cobalto está perdiendo el favor del Li-manganeso, pero especialmente el NMC y el NCA debido al alto costo del cobalto y al mejor rendimiento al mezclarse con otros materiales de cátodos activos. (Consulte la descripción del NMC y NCA a continuación.)

image

Figura 2 : Instantánea de una batería de Li-cobalto promedio.
Li-cobalto es excelente en energía específica alta, pero ofrece solo potencia, seguridad y vida útil específica moderada para el rendimiento.


Tabla de resumen

Óxido de cobalto de litio: cátodo LiCoO 2 (~ 60% Co), ánodo de grafito
Forma corta: LCO o Li-cobalto. Desde 1991

Tensiones

3.60V nominal; rango de funcionamiento típico 3.0–4.2 V / celda

Energía específica (capacidad)

150–200Wh / kg. Las células especializadas proporcionan hasta 240Wh / kg.

Cargo (C-rate)

0.7–1C, carga a 4.20V (la mayoría de las células); 3h de carga típica. La corriente de carga por encima de 1C acorta la vida de la batería.

Descarga (C-rate)

1C; 2.50V corte. La corriente de descarga por encima de 1C acorta la vida útil de la batería.

Ciclo de vida

500–1000, relacionado con la profundidad de descarga, carga, temperatura

Escapes térmicos

150 ° C (302 ° F). Carga completa promueve fuga térmica

Aplicaciones

Teléfonos móviles, tabletas, portátiles, cámaras.

Comentarios

Energía específica muy alta, potencia específica limitada. El cobalto es caro. Sirve como célula de energía. La cuota de mercado se ha estabilizado.

Tabla 3: Características del óxido de litio cobalto.

Óxido de manganeso de litio (LiMn 2 O 4 )

Li-ion con espinela de manganeso se publicó por primera vez en el Boletín de Investigación de Materiales en 1983. En 1996, Moli Energy comercializó una célula de ion de litio con óxido de litio y manganeso como material de cátodo. La arquitectura forma una estructura de espinela tridimensional que mejora el flujo de iones en el electrodo, lo que resulta en una menor resistencia interna y un mejor manejo de la corriente. Otra ventaja de la espinela es su alta estabilidad térmica y mayor seguridad, pero la vida útil del ciclo y del calendario es limitada.

La baja resistencia interna de la celda permite una carga rápida y una descarga de alta corriente. En un paquete 18650, el Li-manganeso se puede descargar a corrientes de 20-30 A con una acumulación moderada de calor. También es posible aplicar pulsos de carga de un segundo de hasta 50A. Una alta carga continua a esta corriente causaría la acumulación de calor y la temperatura de la celda no puede superar los 80 ° C (176 ° F). Li-manganeso se utiliza para herramientas eléctricas, instrumentos médicos, así como para vehículos híbridos y eléctricos.

La Figura 4 ilustra la formación de un marco cristalino tridimensional en el cátodo de una batería de Li-manganeso. Esta estructura de espinela, que generalmente se compone de formas de diamante conectadas en una celosía, aparece después de la formación inicial.

image

Figura 4: Estructura de li-manganeso.
La formación cristalina del cátodo de óxido de litio y manganeso tiene una estructura de marco tridimensional que aparece después de la formación inicial. La espinela proporciona una resistencia baja, pero tiene una energía específica más moderada que el cobalto.


El Li-manganeso tiene una capacidad que es aproximadamente un tercio más baja que el Li-cobalto. La flexibilidad de diseño permite a los ingenieros maximizar la batería para una duración óptima (vida útil), una corriente de carga máxima (potencia específica) o una alta capacidad (energía específica). Por ejemplo, la versión de larga duración en la celda 18650 tiene una capacidad moderada de solo 1,100 mAh; La versión de alta capacidad es de 1.500mAh.

La Figura 5 muestra la tela de araña de una batería típica de Li-manganeso. Las características parecen marginales, pero los diseños más nuevos han mejorado en términos de potencia específica, seguridad y vida útil. Las baterías puras de Li-manganeso ya no son comunes hoy en día; Solo se pueden utilizar para aplicaciones especiales.

image

Figura 5: Instantánea de una batería de Li-manganeso puro.
Aunque el rendimiento general es moderado, los diseños más nuevos de Li-manganeso ofrecen mejoras en potencia, seguridad y vida útil específicos.


La mayoría de las baterías de Li-manganeso se mezclan con óxido de cobalto y litio-níquel-manganeso (NMC) para mejorar la energía específica y prolongar la vida útil. Esta combinación ofrece lo mejor de cada sistema, y el LMO (NMC) se elige para la mayoría de los vehículos eléctricos, como el Nissan Leaf, el Chevy Volt y el BMW i3. La parte LMO de la batería, que puede ser de aproximadamente el 30 por ciento, proporciona un gran aumento de la aceleración de la corriente; La parte NMC da el largo rango de conducción.

La investigación de iones de litio gravita fuertemente hacia la combinación de li-manganeso con cobalto, níquel, manganeso y / o aluminio como material de cátodo activo. En algunas arquitecturas, se agrega una pequeña cantidad de silicio al ánodo. Esto proporciona un aumento de capacidad del 25 por ciento; sin embargo, la ganancia está comúnmente relacionada con un ciclo de vida más corto a medida que el silicio crece y se encoge con la carga y la descarga, lo que causa tensión mecánica.

Estos tres metales activos, así como la mejora de silicio, pueden elegirse convenientemente para mejorar la energía específica (capacidad), la potencia específica (capacidad de carga) o la longevidad. Mientras que las baterías de los consumidores son de alta capacidad, las aplicaciones industriales requieren sistemas de baterías que tengan buenas capacidades de carga, que ofrezcan una larga vida útil y que brinden un servicio seguro y confiable.

Tabla de resumen

Óxido de manganeso de litio: cátodo LiMn 2 O 4 . anodo de grafito
Forma corta: OVM o Li-manganeso (estructura de espinela) desde 1996

Tensiones

3.70V (3.80V) nominal; rango de funcionamiento típico 3.0–4.2 V / celda

Energía específica (capacidad)

100–150Wh / kg

Cargo (C-rate)

Típico de 0.7–1C, máximo de 3C, carga a 4.20V (la mayoría de las celdas)

Descarga (C-rate)

1C; 10C posible con algunas celdas, 30C pulso (5s), corte de 2.50V

Ciclo de vida

300–700 (relacionado con la profundidad de descarga, temperatura)

Escapes térmicos

250 ° C (482 ° F) típico. Alta carga promueve fuga térmica.

Aplicaciones

Herramientas eléctricas, dispositivos médicos, motores eléctricos.

Comentarios

Alta potencia pero menos capacidad; más seguro que el Li-cobalto; Comúnmente mezclado con NMC para mejorar el rendimiento.

Tabla 6: Características del óxido de manganeso de litio.

 

Óxido de cobalto, manganeso y níquel litio (LiNiMnCoO 2 o NMC)

Uno de los sistemas de iones de litio más exitosos es una combinación de cátodo de níquel-manganeso-cobalto (NMC). Al igual que el Li-manganeso, estos sistemas se pueden adaptar para servir como células de energía o células de energía . Por ejemplo, NMC en una celda 18650 para condiciones de carga moderada tiene una capacidad de aproximadamente 2,800 mAh y puede entregar 4A a 5A; El NMC en la misma celda optimizada para una potencia específica tiene una capacidad de solo 2,000 mAh, pero ofrece una corriente de descarga continua de 20A. Un ánodo basado en silicio irá a 4,000 mAh y más, pero con una capacidad de carga reducida y una vida útil más corta. El silicio agregado al grafito tiene el inconveniente de que el ánodo crece y se encoge con la carga y la descarga, lo que hace que la celda sea inestable mecánicamente.

El secreto de NMC radica en la combinación de níquel y manganeso. Una analogía de esto es la sal de mesa en la que los ingredientes principales, sodio y cloruro, son tóxicos por sí solos, pero mezclarlos sirve como sal de condimento y conservador de alimentos. El níquel es conocido por su alta energía específica pero pobre estabilidad; El manganeso tiene la ventaja de formar una estructura de espinela para lograr una baja resistencia interna, pero ofrece una energía específica baja. La combinación de los metales aumenta las fuerzas del otro.

NMC es la batería de elección para herramientas eléctricas, bicicletas eléctricas y otros motores eléctricos. La combinación de cátodos es típicamente un tercio de níquel, un tercio de manganeso y un tercio de cobalto, también conocido como 1-1-1. Esto ofrece una mezcla única que también reduce el costo de la materia prima debido al contenido reducido de cobalto. Otra combinación exitosa es NCM con 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto y 2 partes de manganeso (5-3-2). Son posibles otras combinaciones que usan diversas cantidades de materiales de cátodo.

Los fabricantes de baterías se alejan de los sistemas de cobalto hacia cátodos de níquel debido al alto costo del cobalto. Los sistemas a base de níquel tienen mayor densidad de energía, menor costo y vida de ciclo más larga que las celdas a base de cobalto, pero tienen un voltaje ligeramente menor.

Los nuevos electrolitos y aditivos permiten cargar a 4.4V / celda y más para aumentar la capacidad. La figura 7 muestra las características de la NMC.

image

Figura 7: Instantánea de la NMC.
NMC tiene un buen rendimiento general y sobresale en energía específica. Esta batería es el candidato preferido para el vehículo eléctrico y tiene la tasa de autocalentamiento más baja.


Existe un movimiento hacia la mezcla de iones de litio NMC ya que el sistema se puede construir económicamente y logra un buen desempeño. Los tres materiales activos de níquel, manganeso y cobalto se pueden mezclar fácilmente para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones para sistemas de almacenamiento de energía y automoción (EES) que necesitan ciclos frecuentes. La familia NMC está creciendo en su diversidad.

Tabla de resumen

Óxido de cobalto, manganeso y níquel litio: LiNiMnCoO 2 . cátodo, ánodo de grafito
Forma corta: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN similar con diferentes combinaciones de metales) desde 2008

Tensiones

3.60V, 3.70V nominal; rango de funcionamiento típico 3.0–4.2V / celda, o superior

Energía específica (capacidad)

150–220Wh / kg

Cargo (C-rate)

0.7–1C, cargos a 4.20V, algunos van a 4.30V; 3h de carga típica. La corriente de carga por encima de 1C acorta la vida de la batería.

Descarga (C-rate)

1C; 2C posible en algunas células; Corte de 2.50V

Ciclo de vida

1000–2000 (relacionado con la profundidad de descarga, temperatura)

Escapes térmicos

210 ° C (410 ° F) típico. Alta carga promueve fuga térmica.

Costo

~ $ 420 por kWh (Fuente: RWTH, Aachen)

Aplicaciones

E-bikes, dispositivos médicos, vehículos eléctricos, industriales.

Comentarios

Proporciona alta capacidad y alta potencia. Sirve como célula híbrida. Química favorita para muchos usos; la cuota de mercado está aumentando.

Tabla 8: Características del óxido de cobalto y litio-níquel-manganeso (NMC).

 

Fosfato de litio y hierro (LiFePO 4 )

En 1996, la Universidad de Texas (y otros colaboradores) descubrieron el fosfato como material de cátodo para baterías de litio recargables. Li-fosfato ofrece un buen rendimiento electroquímico con baja resistencia. Esto es posible con material de cátodo de fosfato a nanoescala. Los beneficios clave son una alta calificación de corriente y una larga vida útil, además de una buena estabilidad térmica, mayor seguridad y tolerancia en caso de abuso.

El Li-fosfato es más tolerante a las condiciones de carga completa y está menos estresado que otros sistemas de iones de litio si se mantiene a alto voltaje durante un tiempo prolongado. (Consulte BU-808: Cómo prolongar las baterías a base de litio ). Como compensación, su menor voltaje nominal de 3,2 V / celda reduce la energía específica por debajo de la de ion litio mezclado con cobalto. Con la mayoría de las baterías, la temperatura fría reduce el rendimiento y la temperatura de almacenamiento elevada acorta la vida útil, y el Li-fosfato no es una excepción. El fosfato de litio tiene una mayor autodescarga que otras baterías de iones de litio, lo que puede causar problemas de equilibrio con el envejecimiento. Esto se puede mitigar comprando celdas de alta calidad y / o utilizando controles electrónicos sofisticados, los cuales aumentan el costo del paquete. La limpieza en la fabricación es importante para la longevidad. No hay tolerancia para la humedad, ya que la batería solo entregará 50 ciclos. La Figura 9 resume los atributos de Li-fosfato.

El Li-fosfato se usa a menudo para reemplazar la batería de arranque de ácido de plomo. Cuatro celdas en serie producen 12.80 V, un voltaje similar a seis celdas de plomo de 2 V en serie. Los vehículos cargan plomo ácido a 14.40 V (2.40 V / celda) y mantienen un cargo de cobertura. Se aplica una carga adicional para mantener el nivel de carga completo y evitar la sulfatación en las baterías de ácido.

Con cuatro celdas de Li-fosfato en serie, cada celda alcanza un máximo de 3.60 V, que es la tensión de carga completa correcta. En este punto, la carga se debe desconectar, pero la carga de cobertura continúa mientras se conduce. Li-fosfato es tolerante a algunas sobrecargas; sin embargo, mantener el voltaje a 14.40 V durante un tiempo prolongado, como lo hace la mayoría de los vehículos en un viaje largo por carretera, podría estresar el Li-fosfato. El tiempo dirá qué tan duradero será el Li-fosfato como un reemplazo de plomo ácido con un sistema regular de carga del vehículo. La temperatura fría también reduce el rendimiento del Li-ion y esto podría afectar la capacidad de arranque en casos extremos.

image

Figura 9: Instantánea de una batería típica de Li-fosfato.
El fosfato de litio tiene una excelente seguridad y una larga vida útil, pero la energía específica moderada y la autodescarga elevada.


Tabla de resumen

Fosfato de litio y hierro: cátodo LiFePO 4 , ánodo de grafito
Forma corta: LFP o Li-fosfato Desde 1996

Tensiones

3.20, 3.30V nominal; rango de funcionamiento típico 2.5–3.65V / cell

Energía específica (capacidad)

90–120Wh / kg

Cargo (C-rate)

1C típico, carga a 3.65V; 3h tiempo de carga típico

Descarga (C-rate)

1C, 25C en algunas células; Pulso 40A (2s); Corte de 2.50V (más bajo que 2V causa daño)

Ciclo de vida

1000–2000 (relacionado con la profundidad de descarga, temperatura)

Escapes térmicos

270 ° C (518 ° F) Batería muy segura incluso si está completamente cargada

Costo

~ $ 580 por kWh (Fuente: RWTH, Aachen)

Aplicaciones

Portátil y estacionario que necesita altas corrientes de carga y resistencia.

Comentarios

Curva de descarga de tensión muy plana pero baja capacidad. Uno de los mas seguros
Li-iones. Utilizado para mercados especiales. Autodescarga elevada.

Tabla 10: Características del fosfato de litio y hierro.

Óxido de aluminio de cobalto y níquel litio (LiNiCoAlO 2 )

La batería de óxido de aluminio y litio, níquel y cobalto, o NCA, existe desde 1999 para aplicaciones especiales. Comparte similitudes con NMC al ofrecer alta energía específica, potencia específica razonablemente buena y una larga vida útil. Menos favorecedores son la seguridad y el costo. La figura 11 resume las seis características clave. NCA es un desarrollo adicional de óxido de litio y níquel; Añadir aluminio le da a la química una mayor estabilidad.


image

Figura 11: Instantánea de la NCA.
Las altas densidades de energía y potencia, así como la buena duración de la vida, hacen que NCA sea un candidato para los propulsores EV. Los costos altos y la seguridad marginal son negativos.


Tabla de resumen

Óxido de aluminio y cobalto, litio y níquel: cátodo LiNiCoAlO 2 (~ 9% Co), ánodo de grafito
Forma corta: NCA o Li-aluminio. Desde 1999

Tensiones

3.60V nominal; rango de funcionamiento típico 3.0–4.2 V / celda

Energía específica (capacidad)

200-260Wh / kg; 300Wh / kg predecible

Cargo (C-rate)

0.7C, carga a 4.20V (la mayoría de las celdas), 3 h de carga típica, posible carga rápida con algunas celdas

Descarga (C-rate)

1C típico; Corte de 3.00V; alta tasa de descarga acorta la vida de la batería

Ciclo de vida

500 (relacionado con la profundidad de descarga, temperatura)

Escapes térmicos

150 ° C (302 ° F) típico, alta carga promueve fuga térmica

Costo

~ $ 350 por kWh (Fuente: RWTH, Aachen)

Aplicaciones

Dispositivos médicos industriales, propulsión eléctrica (Tesla).

Comentarios

Comparte similitudes con el Li-cobalto. Sirve como célula de energía.

Tabla 12: Características del óxido de aluminio y cobalto y litio y níquel.

Titanato de litio (Li 4 Ti 5 O 12 )

Las baterías con ánodos de titanato de litio se conocen desde los años ochenta. El titanato de litio reemplaza al grafito en el ánodo de una batería típica de iones de litio y el material se forma en una estructura de espinela. El cátodo puede ser óxido de manganeso de litio o NMC. El titanato de litio tiene un voltaje de celda nominal de 2.40 V, se puede cargar rápidamente y ofrece una alta corriente de descarga de 10C, o 10 veces la capacidad nominal. Se dice que el recuento de ciclos es más alto que el de un ion de litio regular. El titanato de litio es seguro, tiene excelentes características de descarga a baja temperatura y obtiene una capacidad del 80 por ciento a –30 ° C (–22 ° F).

El LTO (comúnmente Li4Ti 5 O 12 ) tiene ventajas sobre el ion-litio de cobalto mezclado convencional con el ánodo de grafito al lograr una propiedad de deformación cero, sin formación de película SEI y sin recubrimiento de litio cuando se carga rápidamente y se carga a baja temperatura. La estabilidad térmica a alta temperatura también es mejor que otros sistemas de iones de litio; Sin embargo, la batería es cara. Con solo 65Wh / kg, la energía específica es baja, rivalizando con la de NiCd. El titanato de Li se carga a 2.80 V / celda, y el final de la descarga es de 1.80 V / celda. La figura 13 ilustra las características de la batería de titanio-litio. Los usos típicos son propulsores eléctricos, UPS y alumbrado público con energía solar.
 

image

Figura 13: Instantánea de Li-titanato.
El titanato de litio sobresale en seguridad, rendimiento a baja temperatura y vida útil. Se están haciendo esfuerzos para mejorar la energía específica y menor costo.


Tabla de resumen

Titanato de litio: Puede ser óxido de manganeso de litio o NMC; Li 4 Ti 5 O 12 (titanato) ánodo
Forma corta: LTO o Li-titanato comercialmente disponible desde aproximadamente 2008.

Tensiones

Nominal de 2.40V; rango de funcionamiento típico 1.8–2.85V / celda

Energía específica (capacidad)

50–80Wh / kg

Cargo (C-rate)

1C típico; Máximo 5C, carga a 2.85V

Descarga (C-rate)

10C posible, 30C 5s pulso; Corte de 1.80V en LCO / LTO

Ciclo de vida

3,000–7,000

Escapes térmicos

Una de las baterías de ion litio más seguras.

Costo

~ $ 1,005 por kWh (Fuente: RWTH, Aachen)

Aplicaciones

UPS, tren de potencia eléctrico (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV),
alumbrado público con energía solar

Comentarios

Larga vida útil, carga rápida, amplio rango de temperatura pero bajo consumo de energía específica y costoso. Entre las baterías de ion-litio más seguras.

Tabla 14: Características del titanato de litio.


La Figura 15 compara la energía específica de los sistemas a base de plomo, níquel y litio. Si bien el aluminio Li (NCA) es el claro ganador al almacenar más capacidad que otros sistemas, esto solo se aplica a la energía específica. En términos de potencia específica y estabilidad térmica, el Li-manganeso (LMO) y el Li-fosfato (LFP) son superiores. El titanato de litio (LTO) puede tener poca capacidad, pero esta química sobrevive a la mayoría de las otras baterías en términos de vida útil y también tiene el mejor rendimiento de temperatura fría. Moviéndose hacia el tren motriz eléctrico, la seguridad y la vida útil del ciclo ganarán dominio sobre la capacidad. (LCO significa Li-cobalto, el Li-ion original).

image

Figura 15: Energía específica típica de baterías de plomo, níquel y litio.
NCA disfruta de la energía específica más alta; sin embargo, el manganeso y el fosfato son superiores en términos de potencia específica y estabilidad térmica. Li-titanato tiene la mejor vida útil.
Cortesía de Cadex