Sumber: https://batteryuniversity.com
Lithium-ion dinamai untuk bahan aktifnya; kata-kata itu ditulis secara penuh atau disingkat dengan simbol kimianya. Serangkaian huruf dan angka yang dirangkai menjadi sulit untuk diingat dan bahkan lebih sulit untuk diucapkan, dan kimia baterai juga diidentifikasi dalam huruf yang disingkat.
Sebagai contoh, lithium cobalt oxide, salah satu ion Li yang paling umum, memiliki simbol kimia LiCoO 2 dan singkatan LCO. Untuk alasan kesederhanaan, bentuk pendek Li-cobalt juga dapat digunakan untuk baterai ini. Cobalt adalah bahan aktif utama yang memberikan karakter baterai ini. Kimia Li-ion lain diberi nama bentuk pendek yang serupa. Bagian ini mencantumkan enam dari Li-ion yang paling umum. Semua bacaan adalah perkiraan rata-rata pada saat penulisan.
Lithium Cobalt Oxide (LiCoO 2 )
Energi spesifiknya yang tinggi menjadikan Li-cobalt pilihan populer untuk ponsel, laptop, dan kamera digital. Baterai terdiri dari katoda kobalt oksida dan anoda karbon grafit. Katoda memiliki struktur berlapis dan selama pelepasan, ion lithium berpindah dari anoda ke katoda. Aliran terbalik dengan biaya. Kelemahan dari Li-cobalt adalah rentang hidup yang relatif singkat, stabilitas termal yang rendah dan kemampuan beban yang terbatas (daya spesifik). Gambar 1 menggambarkan struktur.
|
Gambar 1 : Struktur Li-cobalt. |
Kelemahan dari Li-cobalt adalah rentang hidup yang relatif singkat, stabilitas termal yang rendah dan kemampuan beban yang terbatas (daya spesifik). Seperti Li-ion cobalt-blended lainnya, Li-cobalt memiliki anoda grafit yang membatasi masa pakai siklus dengan mengubah antarmuka elektrolit padat (SEI) , penebalan pada anoda dan pelapisan lithium sambil pengisian dan pengisian cepat pada suhu rendah. Sistem yang lebih baru meliputi nikel, mangan, dan / atau aluminium untuk meningkatkan umur panjang, kemampuan pemuatan, dan biaya.
Li-cobalt tidak boleh dibebankan dan dikeluarkan pada saat ini lebih tinggi dari peringkat C-nya. Ini berarti bahwa sel 18650 dengan 2.400 mAh hanya dapat diisi dan kosong pada 2.400 mA. Memaksa muatan cepat atau menerapkan beban lebih tinggi dari 2.400 mA menyebabkan panas berlebih dan tekanan yang tidak semestinya. Untuk pengisian cepat optimal, pabrikan merekomendasikan C-rate 0,8C atau sekitar 2.000mA. (Se e BU-402: Apakah yang dimaksud dengan C-rate ). Sirkuit perlindungan baterai wajib membatasi tingkat pengisian dan pemakaian hingga tingkat yang aman sekitar 1C untuk Sel Energi.
Grafik laba-laba heksagonal (Gambar 2) merangkum kinerja Li-kobalt dalam hal energi atau kapasitas spesifik yang terkait dengan runtime; kekuatan spesifik atau kemampuan untuk memberikan arus tinggi; keamanan; kinerja pada suhu panas dan dingin; rentang hidup yang mencerminkan siklus hidup dan umur panjang; dan biaya . Karakteristik lain yang menarik tidak ditampilkan dalam jaring laba-laba adalah toksisitas, kemampuan pengisian cepat, self-discharge dan masa simpan. (Lihat BU-104c: Baterai Octagon - Apa yang membuat Baterai menjadi Baterai ).
Li-kobalt tidak disukai Li-mangan, tetapi terutama NMC dan NCA karena tingginya biaya kobalt dan peningkatan kinerja dengan memadukan dengan bahan katoda aktif lainnya. (Lihat deskripsi NMC dan NCA di bawah ini.)
|
Gambar 2 : Gambaran rata-rata baterai Li-cobalt. |
Tabel Ringkasan
Lithium Cobalt Oxide: LiCoO 2 katoda (~ 60% Co), anoda grafit | |
Tegangan | 3.60V nominal; rentang operasi khas 3.0–4.2V / sel |
Energi spesifik (kapasitas) | 150–200Wh / kg. Sel khusus menyediakan hingga 240Wh / kg. |
Biaya (C-rate) | 0,7–1C, mengisi ke 4.20V (sebagian besar sel); 3h khas biaya. Mengisi daya saat ini di atas 1C mempersingkat masa pakai baterai. |
Pelepasan (C-rate) | 1C; 2.50V terputus. Pelepasan arus di atas 1C mempersingkat masa pakai baterai. |
Siklus hidup | 500–1000, terkait dengan kedalaman buangan, beban, suhu |
Pelarian termal | 150 ° C (302 ° F). Biaya penuh mempromosikan pelarian termal |
Aplikasi | Ponsel, tablet, laptop, kamera |
Komentar | Energi spesifik sangat tinggi, daya spesifik terbatas. Cobalt itu mahal. Berfungsi sebagai Sel Energi. Pangsa pasar telah stabil. |
Tabel 3: Karakteristik lithium cobalt oxide.
Lithium Mangan Oksida (LiMn 2 O 4 )
Li-ion dengan spinel mangan pertama kali diterbitkan dalam Material Research Bulletin pada tahun 1983. Pada tahun 1996, Moli Energy mengkomersialkan sel Li-ion dengan lithium mangan oksida sebagai bahan katoda. Arsitektur membentuk struktur spinel tiga dimensi yang meningkatkan aliran ion pada elektroda, yang menghasilkan resistensi internal yang lebih rendah dan penanganan saat ini yang ditingkatkan. Keuntungan lebih lanjut dari spinel adalah stabilitas termal yang tinggi dan keamanan yang ditingkatkan, tetapi siklus dan masa pakai kalender terbatas.
Resistansi sel internal yang rendah memungkinkan pengisian cepat dan pemakaian arus tinggi. Dalam paket 18650, Li-mangan dapat dibuang pada arus 20-30A dengan penumpukan panas sedang. Dimungkinkan juga untuk menerapkan pulsa muat satu detik hingga 50A. Beban tinggi terus menerus pada saat ini akan menyebabkan penumpukan panas dan suhu sel tidak dapat melebihi 80 ° C (176 ° F). Li-mangan digunakan untuk peralatan listrik, instrumen medis, serta kendaraan hibrida dan listrik.
Gambar 4 mengilustrasikan pembentukan kerangka kristal tiga dimensi pada katoda baterai Li-mangan. Struktur spinel ini, yang biasanya terdiri dari bentuk intan yang dihubungkan ke kisi, muncul setelah pembentukan awal.
|
Gambar 4: Struktur Li-mangan. |
Li-mangan memiliki kapasitas yang kira-kira sepertiga lebih rendah dari Li-kobalt. Fleksibilitas desain memungkinkan para insinyur untuk memaksimalkan baterai baik untuk umur panjang yang optimal (masa hidup), arus beban maksimum (daya spesifik) atau kapasitas tinggi (energi spesifik). Misalnya, versi umur panjang di sel 18650 memiliki kapasitas moderat hanya 1.100 mAh; versi kapasitas tinggi adalah 1.500mAh.
Gambar 5 menunjukkan jaring laba-laba dari baterai Li-mangan yang khas. Karakteristiknya tampak marjinal tetapi desain yang lebih baru telah meningkat dalam hal daya, keselamatan, dan masa pakai tertentu. Baterai Li-mangan murni tidak lagi umum saat ini; mereka hanya dapat digunakan untuk aplikasi khusus.
|
Gambar 5: Foto baterai Li-mangan murni. |
Sebagian besar baterai Li-mangan berpadu dengan lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) untuk meningkatkan energi spesifik dan memperpanjang masa pakai. Kombinasi ini menghasilkan yang terbaik di setiap sistem, dan LMO (NMC) dipilih untuk sebagian besar kendaraan listrik, seperti Nissan Leaf, Chevy Volt, dan BMW i3. Bagian LMO baterai, yang bisa sekitar 30 persen, memberikan dorongan arus tinggi pada akselerasi; bagian NMC memberikan jarak mengemudi yang panjang.
Penelitian Li-ion sangat tertarik untuk menggabungkan Li-mangan dengan kobalt, nikel, mangan dan / atau aluminium sebagai bahan katoda aktif. Dalam beberapa arsitektur, sejumlah kecil silikon ditambahkan ke anoda. Ini memberikan peningkatan kapasitas 25 persen; Namun, penguatan biasanya dihubungkan dengan siklus hidup yang lebih pendek karena silikon tumbuh dan menyusut dengan pengisian dan pengosongan, menyebabkan tekanan mekanis.
Ketiga logam aktif ini, serta peningkatan silikon dapat dengan mudah dipilih untuk meningkatkan energi (kapasitas) spesifik, daya spesifik (kemampuan memuat) atau umur panjang. Sementara baterai konsumen menggunakan kapasitas tinggi, aplikasi industri membutuhkan sistem baterai yang memiliki kemampuan memuat yang baik, memberikan masa pakai yang lama dan memberikan layanan yang aman dan dapat diandalkan.
Tabel Ringkasan
Lithium Mangan Oksida: LiMn 2 O 4 katoda. anoda grafit | |
Tegangan | 3,70V (3,80V) nominal; rentang operasi khas 3.0–4.2V / sel |
Energi spesifik (kapasitas) | 100–150Wh / kg |
Biaya (C-rate) | 0,7–1C khas, maksimum 3C, mengisi daya hingga 4,20V (sebagian besar sel) |
Pelepasan (C-rate) | 1C; 10C mungkin dengan beberapa sel, 30C pulsa (5s), 2.50V cut-off |
Siklus hidup | 300–700 (terkait dengan kedalaman pelepasan, suhu) |
Pelarian termal | 250 ° C (482 ° F) khas. Biaya tinggi mendorong pelarian termal |
Aplikasi | Alat-alat listrik, perangkat medis, powertrain listrik |
Komentar | Daya tinggi tetapi kapasitas lebih sedikit; lebih aman dari Li-cobalt; biasanya dicampur dengan NMC untuk meningkatkan kinerja. |
Tabel 6: Karakteristik Lithium Mangan Oksida.
Lithium Nickel Nikel Cobalt Oxide (LiNiMnCoO 2 atau NMC)
Salah satu sistem Li-ion yang paling sukses adalah kombinasi katoda nikel-mangan-kobalt (NMC). Mirip dengan Li-mangan, sistem ini dapat dirancang untuk melayani sebagai Sel Energi atau Sel Daya . Sebagai contoh, NMC dalam sel 18650 untuk kondisi beban sedang memiliki kapasitas sekitar 2.800 mAh dan dapat mengirimkan 4A ke 5A; NMC dalam sel yang sama dioptimalkan untuk daya spesifik memiliki kapasitas hanya sekitar 2.000 mAh tetapi memberikan arus pelepasan berkelanjutan 20A. Anoda berbasis silikon akan mencapai 4.000 mAh dan lebih tinggi tetapi dengan kemampuan muatan yang lebih rendah dan masa pakai siklus yang lebih pendek. Silikon yang ditambahkan ke grafit memiliki kelemahan bahwa anoda tumbuh dan menyusut dengan pengisian dan pengosongan, membuat sel secara mekanis tidak stabil.
Rahasia NMC terletak pada penggabungan nikel dan mangan. Analogi dari ini adalah garam meja di mana bahan utama, natrium dan klorida, beracun sendiri tetapi mencampurkannya berfungsi sebagai garam bumbu dan pemelihara makanan. Nikel dikenal dengan energi spesifik yang tinggi tetapi stabilitasnya buruk; mangan memiliki manfaat membentuk struktur spinel untuk mencapai resistansi internal yang rendah tetapi menawarkan energi spesifik yang rendah. Menggabungkan logam meningkatkan kekuatan satu sama lain.
NMC adalah baterai pilihan untuk alat-alat listrik, e-bikes dan powertrain listrik lainnya. Kombinasi katoda biasanya sepertiga nikel, sepertiga mangan, dan sepertiga kobalt, juga dikenal sebagai 1-1-1. Ini menawarkan campuran unik yang juga menurunkan biaya bahan baku karena berkurangnya konten kobalt. Kombinasi sukses lainnya adalah NCM dengan 5 bagian nikel, 3 bagian kobalt dan 2 bagian mangan (5-3-2). Kombinasi lain menggunakan berbagai jumlah bahan katoda dimungkinkan.
Produsen baterai beralih dari sistem kobalt menuju katoda nikel karena mahalnya kobalt. Sistem berbasis nikel memiliki kepadatan energi lebih tinggi, biaya lebih rendah, dan siklus hidup lebih lama daripada sel berbasis kobalt tetapi mereka memiliki tegangan yang sedikit lebih rendah.
Elektrolit dan aditif baru memungkinkan pengisian ke 4.4V / sel dan lebih tinggi untuk meningkatkan kapasitas. Gambar 7 menunjukkan karakteristik NMC.
|
Gambar 7: Snapshot NMC. |
Ada langkah menuju Li-ion NMC sebagai sistem dapat dibangun secara ekonomis dan mencapai kinerja yang baik. Tiga bahan aktif nikel, mangan, dan kobalt dapat dengan mudah dicampur agar sesuai dengan berbagai aplikasi untuk sistem penyimpanan energi dan otomotif (EES) yang perlu sering bersepeda. Keluarga NMC tumbuh dalam keanekaragamannya.
Tabel Ringkasan
Lithium Nikel Mangan Cobalt Oksida: LiNiMnCoO 2 . katoda, anoda grafit | |
Tegangan | 3,60V, 3,70V nominal; rentang operasi tipikal 3.0–4.2V / sel, atau lebih tinggi |
Energi spesifik (kapasitas) | 150–220Wh / kg |
Biaya (C-rate) | 0,7–1C, biaya ke 4,20V, beberapa pergi ke 4,30V; 3h khas biaya. Mengisi daya saat ini di atas 1C mempersingkat masa pakai baterai. |
Pelepasan (C-rate) | 1C; 2C mungkin pada beberapa sel; 2.50V cut-off |
Siklus hidup | 1000–2000 (terkait dengan kedalaman pelepasan, suhu) |
Pelarian termal | 210 ° C (410 ° F) khas. Biaya tinggi mendorong pelarian termal |
Biaya | ~ $ 420 per kWh (Sumber: RWTH, Aachen) |
Aplikasi | E-sepeda, alat kesehatan, EV, industri |
Komentar | Menyediakan kapasitas tinggi dan daya tinggi. Berfungsi sebagai Hybrid Cell. Kimia favorit untuk banyak kegunaan; pangsa pasar meningkat. |
Tabel 8: Karakteristik lithium nickel mangan cobalt oxide (NMC).
Lithium Iron Phosphate (LiFePO 4 )
Pada tahun 1996, Universitas Texas (dan kontributor lainnya) menemukan fosfat sebagai bahan katoda untuk baterai lithium yang dapat diisi ulang. Li-fosfat menawarkan kinerja elektrokimia yang baik dengan resistansi rendah. Ini dimungkinkan dengan material katoda fosfat skala nano. Manfaat utama adalah peringkat tinggi saat ini dan umur siklus yang panjang, selain stabilitas termal yang baik, keamanan yang ditingkatkan dan toleransi jika disalahgunakan.
Li-fosfat lebih toleran terhadap kondisi pengisian penuh dan lebih sedikit stres daripada sistem lithium-ion lainnya jika disimpan pada tegangan tinggi untuk waktu yang lama. (Lihat BU-808: Cara Memperpanjang Baterai Berbasis Lithium ). Sebagai pertukaran, tegangan nominalnya yang lebih rendah dari 3.2V / sel mengurangi energi spesifik di bawah ion-ion cobalt-blended. Pada kebanyakan baterai, suhu dingin mengurangi kinerja dan suhu penyimpanan yang tinggi mempersingkat masa pakai, dan Li-fosfat tidak terkecuali. Li-fosfat memiliki self-discharge lebih tinggi daripada baterai Li-ion lainnya, yang dapat menyebabkan masalah keseimbangan dengan penuaan. Ini dapat dikurangi dengan membeli sel-sel berkualitas tinggi dan / atau menggunakan elektronik kontrol canggih, yang keduanya meningkatkan biaya paket. Kebersihan dalam manufaktur adalah penting untuk umur panjang. Tidak ada toleransi terhadap kelembaban, jangan sampai baterai hanya menghasilkan 50 siklus. Gambar 9 merangkum atribut Li-fosfat.
Li-fosfat sering digunakan untuk mengganti baterai starter asam timbal. Empat sel dalam seri menghasilkan 12.80V, tegangan yang sama dengan enam sel asam timbal 2V secara seri. Kendaraan mengisi asam timbal hingga 14,40V (2,40V / sel) dan mempertahankan pengisian topping. Topping charge diterapkan untuk mempertahankan level pengisian penuh dan mencegah sulfasi pada baterai asam.
Dengan empat sel Li-fosfat secara seri, masing-masing sel memuncak pada 3,60V, yang merupakan tegangan penuh-muatan yang benar. Pada titik ini, muatan harus diputuskan tetapi muatan topping berlanjut saat mengemudi. Li-fosfat toleran terhadap beberapa harga terlalu tinggi; namun, menjaga voltase pada 14,40V untuk waktu yang lama, seperti kebanyakan kendaraan yang melakukan perjalanan jauh, dapat menekankan Li-fosfat. Waktu akan menunjukkan seberapa tahan lama Li-Phosphate sebagai pengganti asam timbal dengan sistem pengisian kendaraan biasa. Suhu dingin juga mengurangi kinerja Li-ion dan ini dapat mempengaruhi kemampuan engkol dalam kasus-kasus ekstrim.
|
Gambar 9: Potret baterai Li-fosfat yang khas. |
Tabel Ringkasan
Lithium Iron Phosphate: LiFePO 4 katoda, anoda grafit | |
Tegangan | 3.20, 3.30V nominal; rentang operasi tipikal 2.5–3.65V / sel |
Energi spesifik (kapasitas) | 90–120Wh / kg |
Biaya (C-rate) | 1C khas, biaya ke 3.65V; 3h waktu pengisian khas |
Pelepasan (C-rate) | 1C, 25C pada beberapa sel; 40A pulsa (2s); Cut-off 2.50V (lebih rendah dari 2V yang menyebabkan kerusakan) |
Siklus hidup | 1000–2000 (terkait dengan kedalaman pelepasan, suhu) |
Pelarian termal | 270 ° C (518 ° F) Baterai sangat aman bahkan jika terisi penuh |
Biaya | ~ $ 580 per kWh (Sumber: RWTH, Aachen) |
Aplikasi | Portable dan stasioner yang membutuhkan arus dan daya tahan beban tinggi |
Komentar | Kurva debit tegangan sangat datar tetapi kapasitas rendah. Salah satu yang paling aman |
Tabel 10: Karakteristik lithium iron fosfat.
Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (LiNiCoAlO 2 )
Baterai lithium oxide nickel cobalt aluminium oxide, atau NCA, telah ada sejak 1999 untuk aplikasi khusus. Ini berbagi kesamaan dengan NMC dengan menawarkan energi spesifik tinggi, daya spesifik yang cukup baik dan rentang hidup yang panjang. Lebih sedikit menyanjung adalah keamanan dan biaya. Gambar 11 merangkum enam karakteristik utama. NCA adalah pengembangan lebih lanjut dari oksida nikel litium; menambahkan aluminium memberikan stabilitas kimia yang lebih besar.
|
Gambar 11: Snapshot NCA. |
Tabel Ringkasan
Lithium Nikel Cobalt Aluminium Oxide: LiNiCoAlO 2 katoda (~ 9% Co), grafit anoda | |
Tegangan | 3.60V nominal; rentang operasi khas 3.0–4.2V / sel |
Energi spesifik (kapasitas) | 200-260Wh / kg; 300Wh / kg dapat diprediksi |
Biaya (C-rate) | 0.7C, diisi hingga 4.20V (sebagian besar sel), khas 3 jam, pengisian cepat mungkin dengan beberapa sel |
Pelepasan (C-rate) | 1C khas; 3.00V cut-off; tingkat pemakaian yang tinggi mempersingkat masa pakai baterai |
Siklus hidup | 500 (terkait dengan kedalaman pembuangan, suhu) |
Pelarian termal | 150 ° C (302 ° F) khas, Biaya tinggi mempromosikan pelarian termal |
Biaya | ~ $ 350 per kWh (Sumber: RWTH, Aachen) |
Aplikasi | Perangkat medis, industri, powertrain listrik (Tesla) |
Komentar | Membagi kesamaan dengan Li-cobalt. Berfungsi sebagai Sel Energi. |
Tabel 12: Karakteristik Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide.
Lithium Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 )
Baterai dengan anoda litium titanat telah dikenal sejak 1980-an. Li-titanate menggantikan grafit dalam anoda baterai lithium-ion yang khas dan bahan-bahannya membentuk struktur spinel. Katoda dapat berupa lithium mangan oksida atau NMC. Li-titanate memiliki tegangan sel nominal 2,40V, dapat dengan cepat diisi dan memberikan arus debit tinggi 10C, atau 10 kali kapasitas pengenal. Hitungan siklus dikatakan lebih tinggi dari pada ion Li-reguler. Li-titanate aman, memiliki karakteristik pelepasan suhu rendah yang sangat baik dan memperoleh kapasitas 80 persen pada –30 ° C (–22 ° F).
LTO (umumnya Li4Ti 5 O 12 ) memiliki keunggulan dibandingkan Li-ion konvensional kobalt-blended dengan anoda grafit dengan memperoleh sifat nol-regangan, tidak ada pembentukan film SEI dan tidak ada pelapisan lithium saat pengisian dan pengisian cepat pada suhu rendah. Stabilitas termal di bawah suhu tinggi juga lebih baik daripada sistem Li-ion lainnya; Namun, baterainya mahal. Pada hanya 65Wh / kg, energi spesifiknya rendah, menyaingi NiCd. Li-titanate mengisi daya ke 2.80V / sel, dan akhir debit adalah 1.80V / sel. Gambar 13 menggambarkan karakteristik baterai Li-titanate. Kegunaan yang umum adalah powertrain listrik, UPS dan penerangan jalan bertenaga surya.
|
Gambar 13: Cuplikan Li-titanate. |
Tabel Ringkasan
Lithium Titanate: Dapat lithium mangan oksida atau NMC; Li 4 Ti 5 O 12 (titanate) anode | |
Tegangan | 2.40V nominal; rentang operasi tipikal 1.8–2.85V / sel |
Energi spesifik (kapasitas) | 50–80Wh / kg |
Biaya (C-rate) | 1C khas; 5C maksimum, biaya ke 2.85V |
Pelepasan (C-rate) | 10C mungkin, pulsa 30C 5s; 1.80V cut-off pada LCO / LTO |
Siklus hidup | 3.000-7.000 |
Pelarian termal | Salah satu baterai Li-ion teraman |
Biaya | ~ $ 1.005 per kWh (Sumber: RWTH, Aachen) |
Aplikasi | UPS, powertrain listrik (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV), |
Komentar | Umur panjang, muatan cepat, kisaran suhu yang luas tetapi energi spesifik rendah dan mahal. Di antara baterai Li-ion teraman. |
Tabel 14: Karakteristik lithium titanate.
Gambar 15 membandingkan energi spesifik sistem berbasis timah, nikel dan lithium. Sementara Li-aluminium (NCA) adalah pemenang yang jelas dengan menyimpan lebih banyak kapasitas daripada sistem lain, ini hanya berlaku untuk energi spesifik. Dalam hal daya spesifik dan stabilitas termal, Li-mangan (LMO) dan Li-fosfat (LFP) lebih unggul. Li-titanate (LTO) mungkin memiliki kapasitas rendah tetapi bahan kimia ini hidup lebih lama dari kebanyakan baterai lainnya dalam hal masa hidup dan juga memiliki kinerja suhu dingin terbaik. Bergerak menuju powertrain listrik, keselamatan dan siklus hidup akan mendapatkan dominasi atas kapasitas. (LCO singkatan dari Li-cobalt, ion Li-asli.)
Gambar 15: Energi khusus baterai berbasis timah, nikel dan lithium.
NCA menikmati energi spesifik tertinggi; Namun, mangan dan fosfat lebih unggul dalam hal daya spesifik dan stabilitas termal. Li-titanate memiliki rentang hidup terbaik.
Atas perkenan Cadex