6つの一般的なリチウム電池の特性とパラメーター

正の活物質にちなんで名付けられた三元リチウム電池や鉄リチウム電池についてよく話します。この記事では、6つの一般的なリチウム電池タイプとその主な性能パラメーターをまとめています。ご存知のように、セルの同じ技術ルート、特定のパラメーターは完全に同じではありません。このペーパーでは、パラメーターの現在の一般的なレベルを示します。リチウム電池には、リチウムコバルト酸化物（LiCoO2）、リチウムマンガン酸化物（LiMn2O4）、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（LiNiMnCoO2またはNMC）の3種類があります。

コバルト酸リチウム（LiCoO2）

その高い比エネルギーにより、携帯電話、ラップトップ、デジタルカメラに人気があります。バッテリーは、酸化コバルトカソードとグラファイトカーボンアノードで構成されています。カソードは層状構造になっています。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が、充電プロセスは反対方向に流れます。

カソードは層状構造になっています。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。充電中のカソードからアノードへの流れ。

コバルト酸リチウムの欠点は、寿命が比較的短く、熱安定性が低く、負荷容量（比出力）が限られていることです。他のコバルト混合リチウムイオン電池と同様に、コバルト酸リチウムはグラファイトアノードを備えており、そのサイクル寿命は主に固体電解質界面（SEI）によって制限され、主にSEIフィルムの段階的な厚化と急速または低時の陽極リチウムメッキに現れます-温度充電。新しい材料システムでは、ニッケル、マンガン、アルミニウムが追加され、寿命、耐荷重が向上し、コストが削減されます。コバルト酸リチウムは、容量を超える電流で充電または放電してはなりません。つまり、2,400mAhの18650バッテリーは、2,400mA以下の速度でしか充電および放電できません。急速充電を強制したり、2400mAを超える負荷をかけたりすると、過熱や過負荷ストレスが発生する可能性があります。最適な急速充電のために、メーカーは0.8Cまたは約2,000mAの充電比を推奨しています。バッテリー保護回路は、エネルギーユニットの充電および放電速度を約1Cの安全レベルに制限します。六角形のスパイダー図は、動作に関連する比エネルギーまたは容量の観点からコバルト酸リチウム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;高温および低温環境下での性能。寿命には、カレンダー寿命とサイクル寿命が含まれます。コスト特性。スパイダーダイアグラムに示されていないその他の重要な機能には、毒性、急速充電容量、自己放電、および貯蔵寿命が含まれます。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で性能が大幅に向上するため、コバルト酸リチウムは徐々にマンガン酸リチウム、特にNMCとNCAに置き換えられています。

マンガン酸リチウム（LiMn2O4）

スピネルマンガン酸リチウム電池は、1983年に材料研究報告書で最初に発表されました。 1996年、モリエナジーはマンガン酸リチウムをカソード材料として使用するリチウムイオン電池を商品化しました。この構造は三次元スピネル構造を形成し、電極上のイオンの流れを改善し、内部抵抗を減らし、電流容量を改善します。スピネルのもう1つの利点は、高い熱安定性と安全性の向上ですが、サイクルとカレンダーの寿命は限られています。内部抵抗が低いため、急速充電と大電流放電が可能です。 18650セルのマンガン酸リチウム電池は、20〜30aの電流で放電でき、適度な熱蓄積があります。また、最大50A1秒の負荷パルスを適用することもできます。電気の流れでは、継続的な高負荷が熱の蓄積につながる可能性があるため、バッテリーの温度は80°C（176°F）を超えてはなりません。マンガン酸リチウムは、電動工具、医療機器、ハイブリッドおよび純粋な電気自動車に使用されています。図4は、マンガン酸リチウム電池のカソードでの3次元結晶骨格の形成を示しています。スピネル構造は通常、結晶格子に接続された菱形で構成されており、通常、電池の形成後に現れます。

マンガン酸リチウムのカソード結晶化は、形成後に形成された三次元骨格構造を有する。スピネルは、コバルト酸リチウムよりも抵抗は低くなりますが、比エネルギーは低くなります。

マンガン酸ニッケルコバルトリチウム（LiNiMnCoO2またはNMC）

最も成功しているリチウムイオンシステムの1つは、ニッケルマンガンコバルト（NMC）のカソードの組み合わせです。マンガン酸リチウムと同様に、このシステムは、エネルギーバッテリーまたはパワーバッテリーとして使用するためにカスタマイズできます。たとえば、中負荷状態の18650バッテリーのNMCは、約2,800mAhの容量を持ち、4Aから5Aの放電電流を供給できます。同じタイプのNMCは、わずか2,000mAhの容量で特定の電力用に最適化されていますが、20Aの連続放電電流を供給できます。シリコンベースのアノードは4000mAh以上に達しますが、負荷容量が減少し、サイクル寿命が短くなります。グラファイトに添加されたシリコンには、充電と放電に伴ってアノードが膨張および収縮するという欠点があるため、バッテリーの機械的応力は大きく不安定になります。 NMCの秘密はニッケルとマンガンの組み合わせにあります。これに似たのが塩で、主成分のナトリウムと塩化物はそれ自体が有毒ですが、調味料塩と食品防腐剤として混合されています。ニッケルは比エネルギーが高いことで知られていますが、安定性は劣っています。マンガンスピネル構造は、低い内部抵抗を実現できますが、比エネルギーは低くなります。 2つの活性金属には補完的な利点があります。 NMCは、電動工具、電動自転車、その他の電力システムに最適なバッテリーです。カソードの組み合わせは、通常、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であり、1-1-1としても知られています。これにより、コバルト含有量が減少するため、原材料コストも削減する独自のブレンドが提供されます。もう1つの成功した組み合わせは、ニッケル5部、コバルト3部、マンガン2部を含むNCMです（5-3-2）。他の異なる量のカソード材料の組み合わせも使用することができる。コバルトのコストが高いため、電池メーカーはコバルトからニッケルのカソードに切り替えました。ニッケルベースのシステムは、コバルトベースのバッテリーよりもエネルギー密度が高く、コストが低く、サイクル寿命が長いですが、電圧はわずかに低くなっています。新しい電解質と添加剤は、単一のバッテリーを4.4V以上に充電し、電力を増加させることができます。

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