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リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)バッテリー—LiNiMnCoO2メーカー

Dec 12, 2019   ページビュー:7835

1)三元リチウム電池の概要

三元リチウム電池とは、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(LiNiMnCoO2、NMC)またはリチウムニッケルコバルトアルミネート(NCA)の三元材料をアノード材料として使用するリチウム電池を指します。三元とは、ニッケル塩、コバルト塩、マンガン塩を3つの異なる成分として調整するためのさまざまな比率を意味します。多くの電池には、さまざまな比率の三元材料があります。

形状的には、三元リチウム電池は、ソフトパック電池、円筒形電池、角型ハードシェル電池に分けられます。その公称電圧は3.6-3.8Vに達する可能性があります。高エネルギー密度、高電圧プラットフォーム、高タップ密度、長耐久性範囲、大出力、低温での優れた性能を備えていますが、高温での安定性は低く、コストが高くなります。

1.リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物密度

現在開発されている三元アノード材料には、NMC111、NMC442、NMC532、NMC622、NMC811、およびNCAが含まれます。これらの三元材料の性能比較を次の表に示します。

三元陽極材料NMC111 NMC523 NMC622 NMC811 NCA
0.1C放電容量mAh / g(3.0〜4.3V) 166 172 181 205 205
0.1C平均電圧、V 3.8 3.8 3.8 3.81 3.81
1C / 1C100週間容量保持率、%(3.0〜4.5V) 98 96 92 90 90
エネルギー密度、Wh / kg 180 200 230 280 280
安全性能良い良い悪い悪い
費用最も高価な安いです高価な高価な高価な

三元材料性能比較表

2.リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物の構造

ニッケル-コバルト-マンガンの三元材料の形成層のような構造は、六角形の密な積み重ねで構成されています。その構造と電荷-放電化学式は次のとおりです。

图片1.png

ニッケルコバルトマンガン三元陽極材料の結晶構造

3.充電と放電の化学反応式

放電:LiNixMnyCozO2→Li1-tNixMnyCozO2 + tLi ++ te

充電:Li1-tNixMnyCozO2 + tLi ++ te→LiNixMnyCozO2

3.2V 20Ah低温スクエアLiFePO4バッテリーセル
3.2V 20A低温LiFePO4バッテリーセル-40℃3C放電容量≥70%充電温度:-20〜45℃放電温度:-40〜+ 55℃鍼灸試験合格-40℃最大放電率:3C

ニッケル-マンガン-コバルト三元材料では、マンガン元素を組み込むことで材料の安定性を高めることができるため、リチウムイオンの埋め込みによって構造が崩壊することはありません。ニッケルの添加は、容量を増やし、新しい原子価元素になる可能性があります。次に、三元アノード材料システムはNMCによって表されます。

2)三元リチウム電池の長所と短所

三元リチウム電池の利点

1.高電圧プラットフォーム

電圧プラットフォームは、バッテリーのエネルギー密度の重要な指標であり、バッテリーの基本的な効率とコストを決定します。したがって、電池材料の選択には非常に重要です。プラットフォームの電圧が高いほど、比容量は大きくなります。同じ体積、重量、さらにはアンペア時で、電圧プラットフォームが高いほど、三成分リチウム電池の電池寿命は長くなります。三元材料の電圧プラットフォームは、リン酸鉄リチウムの電圧プラットフォームよりも大幅に高くなっています。最大4.2ボルトのハイラインで、放電プラットフォームは最大3.6または3.7ボルトにすることができます。

2.高エネルギー密度

高エネルギー密度は三元リチウム電池の最大の利点ですが、電圧プラットフォームは電池のエネルギー密度の重要な指標であり、電池の基本的な性能とコストを決定します。プラットフォームの電圧が高いほど、比容量は大きくなります。したがって、同じ体積、重量、さらにはアンペア時でも、電圧プラットフォームが高いほど、三元材料リチウム電池の電池寿命は長くなります。

3.高いタップ密度

タップ密度とは、特定の条件下で容器内の粉末が振動した後に測定された単位体積あたりの質量を指します。タップ密度または体積密度(一部の業界では見掛け密度と呼ばれます)は、サンプルの質量をその体積で割ったものとして定義されます。これには、サンプル自体、サンプルの細孔空間、およびサンプル間のギャップの体積が含まれます。

三元リチウム電池のデメリット

安全性の悪さ:高電力で充電および放電するとバッテリーの温度が急激に上昇し、高温になると酸素が放出されるため、非常に燃焼しやすくなります。

耐高温性が悪い:高温条件下では、バッテリーの性能に影響があります。

短寿命:標準状態(使用温度25℃、充放電比0.5℃)で、バッテリーの寿命は2000〜3000倍です。

充放電性能が悪い:充放電率が大きいと電池寿命が急激に短くなります。

3)リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(NMC)の特性

電圧公称電圧3.60V、3.70V;バッテリーの一般的な動作範囲は3.0〜4.2V /以上です
比エネルギー(静電容量) 150-220Wh / kg
料金(Cレート) 0.7-1C、4.20Vまで充電、4.30Vまで部分的に充電。 3時間の通常の充電。 1Cを超える充電電流はバッテリー寿命を短くします。
放電(Cレート) 1C。一部のセルは2Cに存在する場合があります。カットオフ2.50V
サイクリングライフ1000-2000(放電深度と温度に関連)
熱暴走標準値210°C(410°F)。高電荷は熱暴走を促進します
応用電動自転車、医療機器、電気自動車、産業

4)NMC622バッテリー

NMC622電池とは、ニッケル、コバルト、マンガンのアノード材料の比率が6:2:2の3成分リチウム電池を指します。 NMC622材料は、現在一般的に使用されている高ニッケルNMC材料の1つであり、材料の容量は180 mAh / gを超えることができ、従来のLiCoO2材料よりもはるかに高くなっています。ただし、Ni含有量が多いと、材料の熱安定性が低下し、材料のサイクル寿命に影響を与えるため、研究者は、表面コーティング、元素ドーピング、電解質添加剤など、NMC622材料サイクルの安定性を向上させるさまざまな方法を開発しました。

5)NMC811バッテリー

高ニッケルNMC811電池は、ニッケルコバルトマンガンのアノード材料比率が8:1:1で、ニッケルの比率が最大80%である三元リチウム電池です。この材料は、近年開発されたリチウムイオン電池用の新しいタイプのアノード材料です。エネルギー密度が高く、サイクルの安定性が高く、コストが妥当であるという利点があります。

低温高エネルギー密度の頑丈なラップトップ ポリマー電池 11.1V 7800mAh
低温高エネルギー密度頑丈なラップトップ ポリマー バッテリーバッテリー仕様: 11.1V 7800mAh -40℃ 0.2C 放電容量 ≥80%防塵、耐落下性、耐腐食性、耐電磁干渉性

NMC 811は、Mn SO4・H2O、Ni SO4・6H2O、Co SO4・7H2Oを採用し、モル比8:1:1で必要な濃度溶液を調製します。金属塩溶液、アンモニア水、苛性ソーダ溶液を60℃の一定温度で50Lの連続攪拌反応器に入れ、Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2の必要な前駆体を特定の技術的条件下で窒素を用いて合成します。保護。リチウム源と前駆体のモル比1.05:1に従って、必要な原材料を計量し、高速ミキサーで30Hzの周波数で均一に混合します。上記の混合物は、さまざまな焼結プロセス条件下で80%(v)の酸素で焼結され、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2を生成します。

6)NMCとNCAバッテリー

アノード材料の組成に応じて、三元リチウム電池はNCAとNMCに分けることができます。

NMCはニッケル-コバルト-マンガンの3つの材料を一定の割合で含むアノード材料であり、NCAのアノード材料はニッケル-コバルト-アルミニウムで構成されており、各文字は関連する元素の化学イニシャルに対応しています。ご覧のとおり、最初の2つの三元材料は同じで、ニッケルとコバルトですが、最後の材料であるマンガンとアルミニウムを除きます。

NMCは、LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料を指します。これは、現在最も主流の三元材料であり、開発のトレンドとも見なされています。 NMC電池では、NMC材料は、その含有量に応じてNMC111、NMC523、NMC622、NMC811に分類でき、後者の数字は材料の割合を表しています。ニッケル含有量の増加に伴い、バッテリーのエネルギー密度は増加します。タイプ111の三元電池のエネルギー密度は約2.0kwh / Lであり、タイプ622の三元電池のエネルギー密度は最大2.3kwh / Lです。モデルと市場の需要によると、NMCバッテリーは3Cまたは輸送でのアプリケーションの見通しが良いです。

NCAはLiNi1-x-yCoxAlyO2の三成分材料を指し、比率は8:1.5:0.5になる傾向があります。これは、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)の発見に由来しています。このバッテリーは容量が大きく、それに応じて安定性が低いため、構造を安定させるためにアルミニウムが追加されています。一般的な分子式はLiNi0.8Co0.15Al0.05O2です。厳密に言えば、NCAは三元材料ではなく、修正された二元材料である可能性があります。 NMCと比較して、NCA市場は、ジャパンケミカル、戸田、住友金属によって独占されています。パナソニックとソニーはNCAバッテリーの主要サプライヤーであり、台湾にもいくつかの用途があります。 NCAバッテリーはエネルギー密度比が高いです。現在、ハイエンドの三元電池は主にNCAです。テスラの電気自動車はパナソニック18650バッテリーを使用しており、アノード材料はNCAの3成分材料です。

現在、NMCとNCAは、市場におけるLiNiO2の安定性の問題を解決するための2つのアイデアです。 MnとAlはキャパシティの役割を果たしませんが、脇役を果たし、安定性が向上します。高ニッケルNCAは、NCAよりも容量が大きくなりますが、NMCよりも安全性が高くなります。

7)LFPとNMCバッテリー

電池のエネルギー密度、低温性能、安全性、耐用年数、コストの観点から、リン酸鉄リチウム電池と三元リチウム電池にはそれぞれの利点があり、電力リチウム電池のアノード材料技術ルートの差別化につながります。

1.エネルギー密度:三元リチウム>リン酸鉄リチウム

化学的性質により、リン酸鉄リチウム電池は低電圧プラットフォームを備えており、そのエネルギー密度は約140Wh / kgです。三元リチウム電池は高電圧であり、そのエネルギー密度は240Wh / kgになる傾向があります。言い換えれば、同じバッテリー重量で、三元リチウムのエネルギー密度はリン酸鉄リチウムの1.7倍です。三元リチウム電池がエネルギー密度に有利であることは間違いありませんが、三元リチウム電池のエネルギー密度は、式(ニッケル、コバルト、マンガン/アルミニウムの比率が異なる)によって異なります。

2.安全性:リン酸鉄リチウム>三元リチウム

リン酸鉄リチウムの熱安定性は、現在の自動車用リチウム電池の中で最高です。電熱ピークは350℃以上です。バッテリーの温度が500〜600℃になると、内部の化学成分が分解し始めます。

三元リチウム電池は熱安定性が悪い。約300℃で分解し始めるため、バッテリー管理システムには、バッテリーの安全を守るための過熱保護装置やバッテリー管理システムに対する厳しい要件があります。したがって、リン酸鉄リチウムは高温で比較的安全です。

3.低温性能:三元リチウム>リン酸鉄リチウム

リン酸鉄リチウム電池の下限温度は-20℃であり、低温環境での放電性能が悪い。容量保持率は、0℃で約60〜70%、-10℃で40〜55%、-20℃で20〜40%です。

三元リチウム電池の下限温度は-30℃であり、低温放電性能は良好です。リン酸鉄リチウム電池と同じ低温条件下で、冬季の走行距離は15%未満しか減少せず、リン酸鉄リチウム電池よりも大幅に高くなっています。

4.サイクル寿命:リン酸鉄リチウム>三元リチウム

バッテリーの寿命は、何度も完全に充電および放電した後のバッテリーの容量低下です。一般に、電気自動車のバッテリーが完全に充電されると、減衰は元の電力の80%に達します。つまり、バッテリーを交換する必要があります。

容量が元の80%に低下する前に、リン酸鉄リチウム電池の完全な充電と放電のサイクルは3500回以上である必要があります。つまり、1日1回の充電と放電の場合、リン酸鉄リチウム電池が明らかな減衰現象を示すには、まだ10年近くかかります。

また、三元リチウム電池は、リン酸鉄リチウム電池よりもサイクル寿命が短くなっています。フル充電と放電のサイクルが2000回を超えると、バッテリーは減衰現象、つまり約6年の時間のように見え始めます。バッテリー管理と車両の電子制御システムは、バッテリーの寿命をわずかに延ばすことができますが、わずかに遅れることがあります。

5.コスト:三元リチウム>リン酸鉄リチウム

リン酸鉄リチウム電池はコスト面で有利です。貴金属(ニッケル、コバルト)がないため、比較的安価に製造できます。

三元リチウム電池は、ニッケル、コバルト、マンガンのさまざまな材料を使用しており、高ニッケル電池の製造には厳しいプロセス環境が必要であるため、現在のコストは比較的高くなります。

数年の開発の後、主要な材料として、リチウム、コバルト、その他の金属、特にコバルトが不足し始めました。価格は上昇を続けており、見積もりは20万元/トンを超えています。電解ニッケル1トンの価格は現在11万元強です。したがって、電池会社はNCM 811を使用してニッケルの含有量を改善し、コバルトを削減する傾向があります。これにより、コストも削減されます。

8)主流のリチウムイオン電池のアノード材料の性能比較

アノード材料は、リチウムイオン電池の性能を決定する重要な材料の1つであり、現在の市販のリチウムイオン電池のリチウムイオンの主な供給源でもあります。その性能と価格はリチウムイオン電池に大きな影響を与えます。現在、開発および適用されているアノード材料には、主にコバルト酸リチウム(LCO)、酸化リチウムマンガン(LMO)、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(NMC)、リチウムニッケルコバルトアルミネート(NCA)、リン酸鉄リチウム( LFP)およびチタン酸リチウム(LTO)。

いくつかの市販のアノード材料の性能比較

項目LCO LMO NMC NCA LFP LTO
化学式LiCoO2 LiMn2O4 LiNiCoMnO2 LiNiCoAlO2 LiFePO4 Li2TiO3
理論容量(mAh / g) 274 148 275 275 170 175
実際の容量(mAh / g) 140 120 160〜220 180 150 160
タップ密度(g / cm3) 2.8 2.2 2.62.6 2.62.6 1 1.68
圧縮密度(g / cm3) 4.2 3 3.6 3.6 2.2 2.43
電圧プラットフォーム(V) 3.7 4 3.5 3.5 3.3 2.4
サイクリングライフより良い悪い普通普通良いより良い
遷移金属希少豊富希少希少豊富不足
材料費もっと高い安いです高価な高価な安いです高価な
環境を守ることコバルトを含む無毒ニッケルとコバルトを含むニッケルとコバルトを含む無毒無毒
安全性能悪い良いより良いより良いベストより良い
次の図は、鉛、ニッケル、リチウムシステムの特定のエネルギーを比較しています。リチウムアルミニウム(NCA)は、他のシステムよりも多くの容量を保存することで勝者ですが、特定のシナリオでの電力使用にのみ適しています。マンガン酸リチウム(LMO)とリン酸リチウム(LFP)は、比出力と熱安定性に優れています。チタン酸リチウム(LTO)は容量が少ない場合がありますが、他のバッテリーよりも寿命が長く、低温性能が最も優れています。

图片2.png

鉛、ニッケル、リチウムベースのバッテリーの典型的な比エネルギー


NCAは最も高い比エネルギーを持っています。ただし、マンガン酸リチウムとリン酸鉄リチウムは、電力と熱安定性に優れています。チタン酸リチウムは最高の耐用年数を持っています。

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