リチウムイオンの種類

- Feb 21, 2019-

ソース:https://batteryuniversity.com

リチウムイオンはその活物質に由来します。 単語は完全に書かれているか、またはそれらの化学記号によって短縮されています。 一連の文字と数字をつなぎ合わせると、覚えにくくなり、発音しにくくなることがあります。また、電池の化学的性質も省略文字で識別されます。

例えば、最も一般的なLiイオンの1つであるコバルト酸リチウムは、化学記号LiCoO および略語LCOを有する。 簡単にするために、この電池には短い形のLi−コバルトも使用することができる。 コバルトは、この電池特性を与える主な活物質です。 他のリチウムイオン化学にも同様の短縮形の名前が付けられています。 このセクションでは、最も一般的な6つのLiイオンをリストします。 すべての読みは執筆時点での平均推定値です。

リチウムコバルト酸化物(LiCoO 2

その高い比エネルギーは、リチウムコバルトを携帯電話、ラップトップおよびデジタルカメラのための普及した選択にします。 電池は、酸化コバルトカソードおよびグラファイトカーボンアノードからなる。 カソードは層状構造を有し、放電中にリチウムイオンがアノードからカソードへ移動する。 流れは充電時に逆転します。 Li−コバルトの欠点は、比較的短い寿命、低い熱安定性および制限された負荷能力(比出力)である。 図1はその構造を示しています。


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図1 リチウムコバルト構造
陰極は層状構造を有している。 放電中、リチウムイオンはアノードからカソードに移動します。 充電時には、流れはカソードからアノードへとなります。


Li−コバルトの欠点は、比較的短い寿命、低い熱安定性および制限された負荷能力(比出力)である。 他のコバルトと混合されたリチウムイオンと同様に、リチウムコバルトは、急速充電および低温での充電中に固体電解質界面(SEI)を変化させることによってサイクル寿命を制限する。 より新しいシステムは、寿命、積載能力およびコストを改善するためにニッケル、マンガンおよび/またはアルミニウムを含む。

リチウムコバルトは、C定格を超える電流で充放電しないでください。 これは、2,400mAhの18650セルは2,400mAでしか充電および放電できないことを意味します。 急速充電を強制したり、2,400mAを超える負荷をかけると、過熱して過度のストレスが発生します。 最適な急速充電のために、製造元は0.8Cまたは約2,000mAのCレートを推奨しています。 BU-402を参照してください:Cレートとは何ですか )。 必須の電池保護回路は、エネルギーセルの充放電率を安全な約1Cのレベルに制限します。

六角形のクモの図(図2)は、実行時間に関連する特定のエネルギーまたは容量の観点から、リチウムコバルトの性能をまとめたものです。 特定の電力または大電流を供給する能力。 安全性; 高温および低温での性能 サイクル寿命と寿命を反映した寿命。 そして費用 クモの巣には示されていないその他の興味深い特性は、毒性、急速充電能力、自己放電および貯蔵寿命です。 BU-104c:八角形電池 - 電池を電池にするものを見てください)。

Li−コバルトは、Li−マンガン、特にコバルトのコストが高く、他の活性カソード材料と混合することによって性能が向上するため、特にNMCおよびNCAよりも好まれなくなっている。 (下記のNMCとNCAの説明を参照してください。)

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図2 平均的なリチウムコバルト電池のスナップショット
リチウムコバルトは、高い比エネルギーに優れていますが、中程度の性能比の電力、安全性および寿命しか提供していません。


要約テーブル

リチウムコバルト酸化物: LiCoO 2カソード(〜60%Co)、グラファイトアノード
短縮形:LCOまたはLi-コバルト。 1991年から

電圧

公称3.60V。 標準動作範囲3.0〜4.2V /セル

比エネルギー(容量)

150〜200Wh / kg 特殊セルは最大240Wh / kgを供給します。

料金(Cレート)

0.7〜1C、4.20Vまで充電(ほとんどのセル)。 典型的な3時間の充電。 1Cを超える充電電流はバッテリ寿命を短くします。

排出量(Cレート)

1C; 2.50Vカットオフ 1Cを超える放電電流はバッテリ寿命を短くします。

サイクル寿命

放電深度、荷重、温度に関連する500〜1000

熱暴走

150°C(302°F)。 フル充電により熱暴走を促進

アプリケーション

携帯電話、タブレット、ラップトップ、カメラ

コメント

非常に高い比エネルギー、限られた比出力。 コバルトは高価です。 エネルギーセルとして機能します。 市場シェアは安定しています。

表3:コバルト酸リチウムの特性

リチウムマンガン酸化物(LiMn 2 O 4

マンガンスピネルを含むLiイオンは、1983年にMaterials Research Bulletinに最初に掲載されました。1996年、Moli Energyは、リチウムマンガン酸化物をカソード材料とするLiイオンセルを商品化しました。 この構造は、電極上でのイオンの流れを改善する三次元スピネル構造を形成し、その結果、内部抵抗が低くなり、電流処理が改善される。 スピネルのさらなる利点は、高い熱安定性および高められた安全性であるが、サイクルおよびカレンダー寿命は限られている。

内部セル抵抗が低いため、急速充電と大電流放電が可能です。 18650パッケージでは、適度な発熱を伴いながら、20〜30Aの電流でLi-マンガンを放電することができます。 最大50Aの1秒のロードパルスを印加することも可能です。 この電流で連続して高い負荷がかかると発熱し、セル温度が80°C(176°F)を超えることはできません。 リチウムマンガンは、電動工具、医療機器、ハイブリッド自動車、電気自動車に使用されています。

図4は、Li−マンガン電池のカソード上の三次元結晶骨格の形成を示す。 このスピネル構造は、通常は格子状に接続されたダイヤモンド形状で構成されており、初期形成後に現れます。

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図4:Li-マンガン構造
リチウムマンガン酸化物のカソード結晶質形成物は、初期形成後に現れる三次元骨格構造を有する。 スピネルは低抵抗を提供しますが、コバルトよりも適度な比エネルギーを持ちます。


Liマンガンは、Liコバルトよりも約3分の1低い容量を有する。 設計の柔軟性により、エンジニアは最適な寿命(寿命)、最大負荷電流(特定の電力)、または大容量(特定のエネルギー)のいずれかでバッテリを最大化することができます。 例えば、18650セルの長寿命バージョンはわずか1,100mAhの中程度の容量を持っています。 大容量バージョンは1,500mAhです。

図5は、典型的なLi-マンガン電池のクモの巣を示しています。 特性は限界に見えるが、より新しい設計は比出力、安全性および寿命に関して改良されている。 純粋なリチウムマンガン電池は、今日ではもう一般的ではありません。 それらは特別な用途にのみ使用できます。

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図5:純リチウムマンガン電池のスナップショット
全体的な性能はそれほど高くありませんが、リチウムマンガンの新しい設計では、特定の電力、安全性、および寿命が改善されています。


ほとんどのリチウムマンガン電池は、比エネルギーを改善し寿命を延ばすためにリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)と混合されています。 この組み合わせは各システムで最高を引き出し、LMO(NMC)は日産リーフ、シボレーボルト、BMW i3などのほとんどの電気自動車に採用されています。 バッテリーのLMO部分は約30パーセントで、加速時に高電流ブーストを提供します。 NMC部分は長い走行距離を与えます。

Liイオンの研究は、Li−マンガンと、活性カソード材料としてのコバルト、ニッケル、マンガンおよび/またはアルミニウムとを組み合わせることに重点を置いている。 いくつかの構造では、少量のケイ素がアノードに添加される。 これにより、容量が25%向上します。 ただし、シリコンの充放電に伴ってシリコンが成長および収縮し、機械的ストレスが発生するため、一般にゲインはサイクル寿命の短縮につながります。

これら3つの活性金属、ならびにシリコン強化は、比エネルギー(容量)、比出力(負荷容量)または寿命を向上させるために都合よく選択することができる。 民生用電池は大容量に適していますが、産業用アプリケーションには、優れた負荷容量を持ち、長寿命を実現し、安全で信頼できるサービスを提供する電池システムが必要です。

要約テーブル

リチウムマンガン酸化物: LiMn カソード。 グラファイトアノード
短縮形:LMOまたはLi-マンガン(スピネル構造)1996年以来

電圧

公称3.70V(3.80V)。 標準動作範囲3.0〜4.2V /セル

比エネルギー(容量)

100〜150Wh / kg

料金(Cレート)

標準0.7〜1C、最大3C、4.20Vまで充電(ほとんどのセル)

排出量(Cレート)

1C; 一部のセルでは10C、30Cパルス(5s)、2.50Vカットオフ

サイクル寿命

300〜700(放電深度、温度に関連)

熱暴走

代表値は250°Cです。 高電荷は熱暴走を促進する

アプリケーション

電動工具、医療機器、電動パワートレイン

コメント

ハイパワーだが容量が少ない。 リチウムコバルトより安全です。 パフォーマンスを向上させるために、一般にNMCと混合されます。

表6:リチウムマンガン酸化物の特性

 

リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(LiNiMnCoO 2またはNMC)

最も成功したLiイオンシステムの1つは、ニッケル - マンガン - コバルト(NMC)のカソード組み合わせである。 リチウムマンガンと同様に、これらのシステムはエネルギーセルまたはパワーセルとして機能するように調整できます 例えば、中程度の負荷状態にある18650セルのNMCは約2,800mAhの容量を持ち、4Aから5Aを供給することができます。 特定の電力用に最適化された同じセル内のNMCは、約2,000mAhの容量しかありませんが、20Aの連続放電電流を供給します。 シリコンベースのアノードは4,000mAh以上になりますが、負荷容量が減りサイクル寿命が短くなります。 グラファイトにシリコンを添加すると、充放電に伴ってアノードが成長および収縮し、セルが機械的に不安定になるという欠点があります。

NMCの秘密は、ニッケルとマンガンを組み合わせることにあります。 これと類似しているのは、主な成分であるナトリウムと塩化物がそれ自体で有毒であるが、それらを混ぜることが調味料の塩と食品保存料として役立つ食卓塩です。 ニッケルは比エネルギーが高いが安定性が悪いことで知られています。 マンガンは、低い内部抵抗を達成するためにスピネル構造を形成するという利点を有するが、低い比エネルギーを提供する。 金属を組み合わせることでお互いの強みが高まります。

NMCは電動工具、電子バイク、その他の電動パワートレインに最適なバッテリーです。 カソードの組み合わせは通常、1/3 - 1、ニッケルの3分の1、マンガンの3分の1、コバルトの3分の1です。 これにより、コバルト含有量が減少するため、原材料コストも下がる独自のブレンドが得られます。 他の成功した組み合わせは、5部のニッケル、3部のコバルトおよび2部のマンガンを含むNCMである(5-3-2)。 様々な量のカソード材料を使用する他の組み合わせも可能である。

電池製造業者は、コバルトが高価であるために、コバルトシステムからニッケルカソードへと移行している。 ニッケルベースのシステムは、コバルトベースのセルよりも高いエネルギー密度、低コスト、およびより長いサイクル寿命を有するが、それらはわずかに低い電圧を有する。

新しい電解質と添加剤は、4.4V /セル以上の充電を可能にして容量を高めます。 図7は、NMCの特性を示しています。

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図7:NMCのスナップショット
NMCは全体的に優れた性能を持ち、特定のエネルギーに優れています。 このバッテリーは電気自動車に最適な候補であり、最も低い自己発熱率を示します。


システムを経済的に構築することができそしてそれが良好な性能を達成することができるので、NMC混合Liイオンへの動きがある。 ニッケル、マンガン、コバルトの3種類の活物質は、頻繁なサイクルを必要とする自動車やエネルギー貯蔵システム(EES)の幅広い用途に合わせて簡単にブレンドできます。 NMCファミリーは多様性を増しています。

要約テーブル

リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物: LiNiMnCoO カソード、グラファイトアノード
短縮形:NMC(NCM、CMN、CNM、MNC、MCN、さまざまな金属の組み合わせで類似)

電圧

公称3.60V、3.70V。 標準動作範囲3.0〜4.2V /セル以上

比エネルギー(容量)

150〜220Wh / kg

料金(Cレート)

0.7〜1C、4.20Vまで充電されますが、4.30Vに達するものもあります。 典型的な3時間の充電。 1Cを超える充電電流はバッテリ寿命を短くします。

排出量(Cレート)

1C; 一部のセルでは2Cが可能です。 2.50Vカットオフ

サイクル寿命

1000〜2000(放電深度、温度に関連)

熱暴走

代表値は210°Cです。 高電荷は熱暴走を促進する

コスト

〜kWhあたり420ドル(出典:RWTH、アーヘン)

アプリケーション

電子バイク、医療機器、電気自動車、工業用

コメント

大容量と高電力を提供します。 ハイブリッドセルとして機能します。 多くの用途でお気に入りの化学 市場シェアは拡大しています。

表8:リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)の特性。

 

リン酸鉄リチウム(LiFePO 4

1996年に、テキサス大学(およびその他の寄稿者)は、充電式リチウム電池のカソード材料としてリン酸塩を発見しました。 リン酸リチウムは、低抵抗で優れた電気化学性能を発揮します。 これは、ナノスケールのリン酸塩カソード材料によって可能になる。 主な利点は、優れた熱安定性、乱用された場合の安全性と耐性の向上に加えて、高電流定格と長いサイクル寿命です。

リチウムリン酸塩は、満充電状態に対してより寛容であり、長期間にわたって高電圧に保たれる場合、他のリチウムイオンシステムよりもストレスが少ない。 BU-808:リチウムベースのバッテリーの増設方法を参照)。 トレードオフとして、3.2V /セルという低い公称電圧により、比エネルギーはコバルトを混合したリチウムイオンのそれより低くなります。 ほとんどの電池では、気温が低いと性能が低下し、保管温度が高いと耐用年数が短くなります。また、リン酸リチウムも例外ではありません。 リン酸リチウムは他のリチウムイオン電池よりも自己放電が大きいため、経年劣化とバランスの問題を引き起こす可能性があります。 これは、高品質のセルを購入したり、高度な制御電子機器を使用したりすることで軽減できます。どちらもパックのコストが高くなります。 製造における清潔さは長寿のために重要です。 バッテリーが50サイクルしか届かないように、湿気に対する許容度はありません。 図9は、リン酸リチウムの特性をまとめたものです。

鉛リン酸スターターバッテリーの代わりにリン酸リチウムがよく使われます。 直列に接続された4個のセルは12.80Vを生成します。これは直列に接続された6個の2V鉛蓄電池と同じ電圧です。 車両は鉛酸を14.40V(2.40V /セル)に充電し、トッピング電荷を維持します。 トッピング充電は、フル充電レベルを維持し、鉛蓄電池の硫酸化を防ぐために適用されます。

直列に接続された4個のLi-リン酸塩電池の場合、各電池の最大充電電圧は3.60Vです。これは正しい最大充電電圧です。 この時点で、チャージは切断されるはずですが、トッピングチャージは運転中も継続します。 リン酸リチウムはいくらかの過充電に対して耐性があります。 しかし、ほとんどの車が長い道のりを走行するので、電圧を長時間14.40Vに維持すると、リン酸リチウムにストレスがかかる可能性があります。 時が経つと、耐久性のあるLi-Phosphateが、通常の自動車充電システムを使った鉛酸代替品としてどれだけ使えるかがわかります。 低温でもLiイオンの性能が低下するため、極端な場合にはクランキング能力に影響を与える可能性があります。

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図9:典型的なリン酸リチウム電池のスナップショット
リン酸リチウムは優れた安全性と長寿命を持ちますが、適度な比エネルギーと高い自己放電を示します。


要約テーブル

リン酸鉄リチウム: LiFePO 4カソード、グラファイトアノード
短縮形:LFPまたはリン酸リチウム1996年以来

電圧

公称3.20、3.30V。 標準動作範囲2.5〜3.6V /セル

比エネルギー(容量)

90〜120Wh / kg

料金(Cレート)

標準1C、3.65Vまで充電。 3時間の充電時間

排出量(Cレート)

いくつかの細胞では1C、25C。 40Aパルス(2秒)。 2.50Vカットオフ(2V以下にすると損傷する)

サイクル寿命

1000〜2000(放電深度、温度に関連)

熱暴走

270°C(518°F)フル充電しても非常に安全なバッテリー

コスト

1kWhあたり〜580ドル(出典:RWTH、アーヘン)

アプリケーション

高い負荷電流と耐久性を必要とする携帯用と固定用

コメント

非常に平坦な電圧放電曲線だが容量が小さい。 最も安全なもの
リチウムイオン 特別市場で使用されます。 高い自己放電

表10:リン酸鉄リチウムの特性。

リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物(LiNiCoAlO 2

リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化アルミニウム電池、またはNCAは、1999年以来、特殊な用途に使われてきました。 それは高い比エネルギー、適度に良い比出力および長い寿命を提供することによってNMCと類似点を共有します。 お世辞が少ないのは安全性とコストです。 図11は、6つの重要な特性を要約しています。 NCAはリチウムニッケル酸化物のさらなる発展です。 アルミニウムを加えると化学的安定性が増す。


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図11:NCAのスナップショット
高いエネルギー密度および電力密度、ならびに良好な寿命により、NCAはEVパワートレインの候補になります。 高コストと限界安全はマイナスです。


要約テーブル

リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物: LiNiCoAlO 2カソード(〜9%Co)、グラファイトアノード
短縮形:NCAまたはLi-アルミニウム。 1999年から

電圧

公称3.60V。 標準動作範囲3.0〜4.2V /セル

比エネルギー(容量)

200〜260Wh / kg。 予測可能な300Wh / kg

料金(Cレート)

0.7C、4.20V(ほとんどのセル)まで充電、3時間充電(標準)、一部のセルでは急速充電が可能

排出量(Cレート)

典型的な1C。 3.00Vカットオフ。 高い放電率は電池寿命を短くします

サイクル寿命

500(放電深度、温度に関連)

熱暴走

150°C(302°F)標準、高電荷は熱暴走を促進する

コスト

1 kWhあたり350ドル(出典:RWTH、アーヘン)

アプリケーション

医療機器、工業用、電動パワートレイン(Tesla)

コメント

Li-コバルトとの類似点を共有します。 エネルギーセルとして機能します。

表12:リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物の特性。

チタン酸リチウム(Li 4 Ti 5 O 12

チタン酸リチウムアノードを有する電池は、1980年代から知られている。 チタン酸リチウムは、典型的なリチウムイオン電池のアノード中のグラファイトに取って代わり、その材料はスピネル構造を形成する。 カソードは、リチウムマンガン酸化物またはNMCであり得る。 チタン酸リチウムの公称セル電圧は2.40Vで、急速充電が可能で、10Cの高放電電流、つまり定格容量の10倍の電流を供給します。 サイクル数は通常のLiイオンよりも多いと言われています。 チタン酸リチウムは安全で、優れた低温放電特性を持ち、–30°C(–22°F)で80パーセントの容量を得ます。

LTO(一般的にLi 4 Ti 5 O 12 )は、急速充電時および低温充電時にゼロひずみ特性、SEI膜の形成、リチウムメッキの防止を達成することにより、グラファイトアノードを有する従来のコバルト混合Liイオンを超える利点を有する。 高温下での熱安定性も他のLiイオンシステムより優れています。 しかし、バッテリーは高価です。 わずか65Wh / kgでは、比エネルギーは低く、NiCdのそれに匹敵します。 チタン酸リチウムは2.80V /セルまで充電され、放電の終わりは1.80V /セルです。 図13は、チタン酸リチウム電池の特性を示す。 典型的な用途は、電動パワートレイン、UPS、太陽光発電街路灯です。
 

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図13:チタン酸リチウムのスナップショット。
チタン酸リチウムは安全性、低温性能および寿命に優れています。 比エネルギーを改善し、コストを下げるための努力がなされています。


要約テーブル

チタン酸リチウム: リチウムマンガン酸化物またはNMCであり得る。 Li 4 Ti 5 O 12 (チタネート)アノード
短縮形:LTOまたはチタン酸リチウム2008年頃から市販されている。

電圧

公称2.40V。 標準動作範囲1.8〜2.85V /セル

比エネルギー(容量)

50〜80Wh / kg

料金(Cレート)

典型的な1C。 最大5C、2.85Vまで充電

排出量(Cレート)

10℃可能、30℃5秒パルス。 LCO / LTOの1.80Vカットオフ

サイクル寿命

3,000〜7,000

熱暴走

最も安全なリチウムイオン電池

コスト

1kWhあたり〜1,005ドル(出典:RWTH、アーヘン)

アプリケーション

UPS、電動パワートレイン(三菱i-MiEV、ホンダフィットEV)、
太陽光発電街路照明

コメント

長寿命、急速充電、広い温度範囲だが比エネルギーが低く、高価です。 最も安全なリチウムイオン電池です。

表14:チタン酸リチウムの特性


図15は、鉛、ニッケル、およびリチウムベースのシステムの比エネルギーを比較したものです。 Li-Aluminium(NCA)は他のシステムよりも多くの容量を保存することで明らかに勝者ですが、これは特定のエネルギーにのみ適用されます。 比出力および熱安定性に関しては、Liマンガン(LMO)およびLiリン酸(LFP)が優れている。 チタン酸リチウム(LTO)は容量が小さい場合がありますが、この化学的性質は寿命の点で他のほとんどの電池より長持ちし、また最高の低温性能を示します。 電気パワートレインに向かって移動すると、安全性とサイクル寿命が容量よりも優位に立つでしょう。 (LCOは、元のLiイオンであるLiコバルトを表します。)

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図15:鉛、ニッケル、リチウム系電池の典型的な比エネルギー。
NCAは最も高い比エネルギーを享受しています。 しかしながら、マンガンおよびリン酸塩は比出力および熱安定性の点で優れている。 チタン酸リチウムは最高の寿命を持っています。
Cadexの礼儀