一般的な6つのリチウム電池の特性とパラメーター

同じ技術ルートのバッテリーの特定のパラメーターは、完全に同じではありません。現在のパラメータの一般的なレベルは、このペーパーに示されています。 6つのリチウム電池には、具体的には、コバルト酸リチウム（LiCoO2）、マンガン酸リチウム（LiMn2O4）、コバルト酸リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（LiNiMnCoO2またはNMC）、アルミン酸コバルトアルミニウムリチウム（LiNiCoAlO2またはNCA）、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）、チタン酸リチウムが含まれます。 （Li4Ti5O12）。

コバルト酸リチウム（LiCoO2）

その高い比エネルギーにより、コバルト酸リチウムは携帯電話、ノートブック、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、放電中にリチウムイオンがアノードからカソードに移動し、充電プロセスが反対方向に流れる層状構造を持っています。

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。充電中、流れはカソードからアノードに流れます。

極端に、そのサイクル寿命は、主にSEI膜の段階的な厚化、および急速充電または低温充電プロセスのアノードめっきの問題において、主に固体電解質界面（SEI）によって制限されます。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、寿命と耐荷重が向上し、コストが削減されます。コバルト酸リチウムは、容量よりも高い電流で充電および放電しないでください。つまり、2,400mAhの18650バッテリーは、2,400mA以下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。最高の急速充電のために、メーカーは0.8Cまたは約2,000mAの充電率を推奨しています。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マップ（図2）は、操作に関連するコバルト酸リチウムの性能の特定のエネルギーまたは容量の側面をまとめたものです。大電流を供給する特定の電力または能力。安全性;高温および低温環境での性能。カレンダー寿命とサイクル寿命を含む寿命。コスト特性。スパイダーマップに表示されていないその他の重要な機能には、毒性、急速充電機能、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、材料を他の活性カソード材料と混合することによって大幅な性能の向上がもたらされたため、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（の説明を参照してください）。 NMCおよびNCA。）

コバルト酸リチウムは高い比エネルギーに優れていますが、電力特性において、安全性とサイクル寿命は一般的な性能を提供できます

リチウムマンガン酸（LiMn2O4）

スピネルマンガン酸リチウム電池は、1983年の材料研究報告で最初に発表されました。 1996年、Moli Energyは、カソード材料としてマンガン酸リチウムを使用したリチウムイオン電池を商品化しました。このアーキテクチャは、電極上のイオンの流れを改善し、内部抵抗を減らし、電流容量を改善する3次元スピネル構造を形成します。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が限られていることです。バッテリーの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タイプのバッテリー、マンガン酸リチウムバッテリーは20-30Aで放電でき、適度な熱蓄積があります。最大50A1秒の負荷パルスを印加することも可能です。この電流で高負荷が続くと、発熱が発生する可能性があり、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ます。これは通常、バッテリーの形成後に発生します。

マンガン酸リチウムカソードは、3次元フレーム構造の後に結晶化して形になります。スピネルは低抵抗を提供しますが、比エネルギーはコバルト酸リチウムよりも低くなります。

リチウムマンガン酸は、コバルト酸リチウムよりも約3分の1の容量を持っています。設計の柔軟性により、エンジニアは最大限のアースを選択してバッテリーの耐用年数を延長したり、最大負荷電流（電力）または（以上）の容量をアップグレードしたりできます。たとえば、バッテリーバージョンの18650の長寿命は、1100mAhの容量しかありません。大容量バージョン1500mAh。これらの機能パラメータは理想的ではないようですが、電力、セキュリティ、および寿命の新しい設計が改善されています。マンガン酸リチウム電池は、今日ではもはや一般的ではありません。それらは特別な場合にのみ使用されます。

全体的なパフォーマンスにもかかわらず、新しい設計により、マンガン酸リチウムの電力、セキュリティ、および寿命を向上させることができます。

ほとんどのマンガン酸リチウムは、比エネルギーを高めて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、各システムの最高のパフォーマンスをもたらし、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はLMO（NMC）を使用します。バッテリーのLMO部分は約30％に達する可能性があり、加速中により高い電流を供給することができます。 NMCパーツは、長い航続距離を提供します。リチウムイオン電池の研究では、マンガン酸リチウムをコバルト、ニッケル、マンガン、および/またはアルミニウムを活陰極材料として組み合わせる傾向があります。一部のアーキテクチャでは、少量のシリコンがアノードに追加されます。これにより、容量が25％増加します。ただし、シリコンは充電と放電に伴って膨張および収縮し、機械的応力を引き起こします。これは、短いサイクル寿命と密接に関連していることがよくあります。これらの3つの活性金属とシリコン補強材は、比エネルギー（容量）、比電力（負荷容量）、または寿命を延ばすために便利に選択できます。民生用バッテリーには大容量が必要ですが、産業用アプリケーションにはバッテリーシステムが必要であり、優れた負荷容量と長寿命を備え、安全で信頼性の高いサービスを提供します。

ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（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の連続放電電流を利用できます。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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