Bref résumé des technologies d'accus Lithium-ion

Cet article est un résumé des caractéristiques et applications typiques des différents types de batteries au Lithium

Oxyde de cobalt de lithium (LiCo O2 )
Son énergie spécifique élevée rend le Li-cobalt populaire pour les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et les appareils photo numériques. La batterie est constituée d'une cathode en oxyde de cobalt et d'une anode en graphite de carbone. La cathode a une structure en couches et pendant la décharge, les ions lithium passer de l'anode vers la cathode. Le flux inverse en charge. L'inconvénient de Li-cobalt est une durée de vie relativement courte, une faible stabilité thermique et des capacités de charge limitées (puissance spécifique).

Li-cobalt ne doit pas être chargé et déchargé à un courant supérieur de son C-rating. Cela signifie qu'une cellule 18650 de 2400mAh ne peut être chargée et déchargée à 2400mA. Forcer une charge rapide ou d' appliquer une charge supérieure à ,400mA provoque une surchauffe et un stress excessif. Pour une charge rapide optimale, le fabricant recommande un taux de C de 0.8c ou vers 2000mA. Le circuit de protection de la batterie obligatoire limite la charge et de décharge à un niveau sûr d'environ 1C pour chaque cellule.

Résumé des caractéristiques :
Lithium Cobalt Oxide: LiCoO ₂ cathode (~ 60% de Co), anode en graphite  forme courte: LCO ou Li-cobalt. Depuis 1991
Voltages : 3.60V nominale. Plage de fonctionnement typique 3.0-4.2V
Énergie spécifique (capacité) : 150-200Wh / kg. (cellules spécialisées  jusqu'à 240Wh / kg.)
Charge (C-taux) : charges à 0.7-1C, à 4.20V (la plupart des cellules);  Durée typique 3h .Un courant de charge supérieur ou égal à 1C raccourcit la vie de la batterie.
Décharge (C-taux) : 1C; tension minimum  2.50V (cut-off).Une  décharge supérieure à 1C raccourcit la vie de la batterie.
Cycle de vie : 500-1000, liée à la profondeur de décharge, de charge, et la température
Emballement thermique : 150 ° C (302 ° F). La pleine charge favorise l'emballement thermique
Applications : Téléphones mobiles, tablettes, ordinateurs portables, appareils photo
Commentaires : énergie spécifique très élevée, limitée. Le cobalt est cher.

Lithium Manganese Oxide (LiMn ₂ O ₄ )

Li-ion avec spinelle de manganèse. L'architecture forme une structure de spinelle en trois dimensions qui améliore le flux d' ions sur l'électrode, ce qui se traduit par une résistance interne plus faible et une meilleure circulation de courant. Autre avantage, grande stabilité thermique et une sécurité accrue, mais le cycle et la  durée de vie sont limités.

Faible résistance interne de la cellule permet une charge rapide et de décharge à haute intensité. Un pack 18650, Li-manganèse peut être déchargé à des courants de 20-30A sous ventilation pour modérer accumulation de chaleur. Il est également possible d'appliquer des impulsions d'une seconde de charge allant jusqu'à 50A. Une charge continue élevée à ce courant entraînerait l' accumulation de chaleur et la température de la cellule ne peut pas dépasser 80 ° C (176 ° F). Li-manganèse est utilisé pour des outils électriques, des instruments médicaux, ainsi que des véhicules hybrides et électriques.

Li-manganèse a une capacité qui est à peu près d'un tiers inférieur à Li-cobalt. La flexibilité de conception permet aux ingénieurs de maximiser la batterie soit pour la longévité optimale (de durée de vie), le courant de charge maximum (puissance spécifique) ou à haute capacité (énergie spécifique). Par exemple, la version longue durée de vie dans la cellule 18650 a une capacité modérée de seulement 1100mAh; la version haute capacité est 1500mAh.

La plupart des batteries Li-manganèse sont panachées avec du lithium nickel oxyde de cobalt manganèse (NMC) pour améliorer l'énergie spécifique et prolonger la durée de vie. Cette combinaison fait ressortir le meilleur dans chaque système, et l'OVM (NMC) est choisi pour la plupart des véhicules électriques. La partie OVM de la batterie, qui peut être d' environ 30%, offre une grande impulsion de courant sur l' accélération; la partie NMC donne l'autonomie plus longue de conduite.

La recherche Li-ion gravite fortement vers la combinaison Li-manganèse avec le cobalt, le nickel, le manganèse et / ou de l' aluminium comme matériau de cathode actif. Dans une telle architecture, une petite quantité de silicium est ajouté à l'anode. Ceci permet d' obtenir une capacité boost de 25% ; Toutefois, le gain est généralement lié à un cycle de vie plus court que le silicium augmente et  qui diminue avec les charges et de décharges, provoquant un stress mécanique.

Ces trois métaux actifs, ainsi que la mise en valeur de silicium peuvent facilement être choisies pour améliorer l'énergie spécifique (capacité), puissance spécifique (capacité de charge) ou la longévité. Alors que les batteries de consommation sont prévues pour une grande capacité, les applications industrielles exigent des systèmes de batteries qui ont de bonnes capacités de chargement, offrant une longue durée de vie et de fournissant un service sûr et fiable.


Résumé des caractéristiques :
Lithium Manganese Oxide: LiMn ₂ O ₄ cathode. anode en graphite forme courte: OVM ou Li-manganèse (structure spinelle) Depuis 1996
Voltages : 3.70V (3.80V) nominal; plage de fonctionnement typique 3.0-4.2V par cellule
Énergie spécifique (capacité) : 100-150Wh / kg
Charge (C-taux) : 0.7-1C typique maximale 3C, charges à 4.20V (la plupart des cellules)
Décharge (C-taux) : 1C; 10C possible avec certaines cellules, impulsion 30C (5s),  cut-off : 2.50V
Cycle de vie : 300-700 (lié à la profondeur de décharge, température)
Emballement thermique : 250 ° C (482 ° F) typiques. Une charge élevée favorise l'emballement thermique
Applications : Les outils électriques, les dispositifs médicaux, les groupes motopropulseurs électriques
Commentaires : Haute puissance mais moins de capacité; plus sûr que le Li-cobalt; souvent mélangé avec NMC pour améliorer les performances.

Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxide (LiNiMnCoO ₂ ou NMC)

Un des systèmes Li-ion les plus réussis, c'est une combinaison de cathode de nickel-manganèse-cobalt (NMC). Semblable à Li-manganèse, ces systèmes peuvent être adaptés pour des cellules d'énergie élevée ou des cellules d'alimentation. Par exemple, du NMC dans une cellule 18650 a une capacité d'environ 2800mAh et peut fournir 4A à 5A; NMC dans la même cellule optimisée pour une puissance spécifique a une capacité de seulement environ 2000mWh mais délivre un courant de décharge continu de 20A. Une anode à base de silicium ira à 4000 mAh et plus , mais aura une capacité de charge réduite et une durée de vie plus courte. Le Silicium ajouté au graphite présente l'inconvénient d'avoir l'anode augmente et diminue de volume avec la charge et la décharge, ce qui rend la cellule mécaniquement instable.

Le secret des accus NMC réside dans la combinaison de nickel et de manganèse. Une analogie ; le sel de table dans lequel les principaux ingrédients, le sodium et le chlorure, sont toxiques séparément mais leur mélange est inoffensif. Le nickel est connu pour son énergie spécifique élevée , mais une mauvaise stabilité; le manganèse a l'avantage de former une structure de spinelle pour obtenir une faible résistance interne , mais offre une faible énergie spécifique. En combinant les 2 métaux ont améliore les points forts de chacun.

NMC est la batterie de choix pour les outils électriques, vélos électriques et autres tractions électriques. La combinaison de la cathode est typiquement de un tiers de nickel, un tiers de manganèse et un tiers de cobalt, également connu sous le nom de 1-1-1. Cela offre un mélange unique qui réduit également le coût des matières premières en raison de la teneur en cobalt réduit. Une autre combinaison réussie est NCM avec 5 parties de nickel, 3 parties de cobalt et de 2 parties de manganèse. D' autres combinaisons de cathode utilisant différentes quantités de matériaux sont possibles. Les nouveaux électrolytes et additifs permettent une charge à 4,4V par cellule et plus pour augmenter la capacité.

Résumé des caractéristiques :
Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxide: LiNiMnCoO ₂ . cathode, anode en graphite  forme courte: NMC (NCM, MCN, CNM, MNC, MCN similaire avec différentes combinaisons métalliques) Depuis 2008.
Voltages : 3.60V, 3.70V nominale; plage de fonctionnement 3.0-4.2V par cellule
Énergie spécifique (capacité) : 150-220Wh / kg
Charge (C-taux) : 0.7-1C, charges à 4.20V, (4,30 V pour certaines); durée typique 3h. Courant de charge supérieur à 1C raccourcit la vie de la batterie.
Décharge (C-taux) : 1C; (2C possible sur certaines cellules);  cut-off 2.50V
Cycle de vie : 1000-2000 (liée à la profondeur de décharge, température)
Emballement thermique : 210 ° C (410 ° F) typiques. Une charge élevée favorise l'emballement thermique
Applications : E-bikes, les dispositifs médicaux, les véhicules électriques, industriels
Commentaires : Fournit une grande capacité et haute puissance. Sert de cellule hybride. chimie préférée pour de nombreuses utilisations; la part de marché augmente.

Lithium Iron Phosphate (LiFePO ₄ )

En 1996, l'Université du Texas (et d' autres contributeurs) ont découvert le phosphate comme matériau de cathode pour les batteries rechargeables au lithium. Li-phosphate offre une bonne performance électrochimique avec une faible résistance. Cela est rendu possible avec un matériau à base de phosphate à l' échelle nanométrique pour la cathode . Les principaux avantages sont une performance élevée et une longue durée de vie, en plus d'une bonne stabilité thermique, une sécurité accrue et de la tolérance en cas d'abus d'utilisation. Le Li-phosphate est plus tolérant à des conditions de pleine charge et il est moins stressés que les autres systèmes lithium-ion en cas de stockage à pleine capacité (tension maximum) pour un temps prolongé.

C'est un compromis avec une tension inférieure (3.2V par cellule) on réduit l'énergie spécifique qui est inférieure à celle de Li-manganèse. Pour la plupart des batteries, une température basse réduit les performances et une température de stockage élevée raccourcit la durée de vie, et le Li-phosphate ne fait pas exception. Le Li-phosphate a une auto-décharge plus élevée que les autres batteries Li-ion, ce qui peut causer des problèmes d'équilibrage avec le vieillissement.
Le Li-phosphate est souvent utilisé pour remplacer la batterie plomb/acide de démarrage. Quatre cellules en série produisent 12.80V, une tension similaire à 6 éléments de 2V plomb/acide en série. Avec quatre cellules Li-phosphate en série, chaque cellule atteint sa pleine charge à 3.60V, ce qui est la bonne tension de pleine charge. À ce stade, la charge doit être déconnectée mais la charge continue pendant la conduite. Le Li-phosphate est tolérant à certaines surcharge; ce qui se produit en  conservant une tension à 14.40V pendant une période prolongée, dans le cas des véhicules sur un long trajet. Mais une température basse de départ peut être un problème avec le Li-phosphate utilisé comme batterie de démarrage.

Résumé des caractéristiques :
Lithium Iron Phosphate : LiFePO ₄ cathode, anode en graphite forme courte: LFP ou Li-phosphate Depuis 1996
Voltages : 3.20, 3,30V nominale; plage de fonctionnement typique 2.5-3.65V par cellule
Énergie spécifique (capacité) : 90-120Wh / kg
Charge (C-taux) : 1C typique, charges à 3.65V; temps de charge typique 3h
Décharge (C-taux) : 1C, 25C sur certaines cellules; impulsion de 40A (2s); cut-off 2.50V (une tension inférieure à 2V provoque des dommages)
Cycle de vie : 1000-2000 (liée à la profondeur de décharge, température)
Emballement thermique : 270 ° C (518 ° F) Batterie très sûre, même si elle est entièrement chargée
Applications : Portables et stationnaires besoin courants de charge élevés et d'endurance
Commentaires :  courbe de décharge de tension très plate , mais une faible capacité. L' un des plus sûrs  Li-ions. Utilisé pour les marchés spéciaux. auto-décharge élevée.

Lithium Nickel Cobalt oxyde d' aluminium (LiNiCoAlO ₂ )

batterie à base d'oxyde d'aluminium de nickel cobalt lithium ou NCA, conçue en 1999 pour des applications spéciales. cet accu partage des similitudes avec NMC en offrant une énergie spécifique élevée, une puissance spécifique raisonnablement bonne et une longue durée de vie. Mais moins flatteuse en ce qui concerne la sécurité et le coût. Le NCA est un développement ultérieur des accus lithium oxyde de nickel par addition d'aluminium donnant une plus grande stabilité chimique.

Résumé des caractéristiques :
Lithium Iron Phosphate : Lithium Nickel Cobalt Oxyde d' aluminium: LiNiCoAlO2  cathode (~ 9% Co), anode en graphite forme courte: NCA ou Li-aluminium. Depuis 1999
Voltages : 3.60V nominale; plage de fonctionnement par cellule typique 3.0-4.2V
Énergie spécifique (capacité) : 200-260Wh / kg; 300Wh / kg prévisibles
Charge (C-taux) : 0.7C, charges à 4.20V (la plupart des cellules), 3h de charge typique, la charge rapide est possible avec certaines cellules
Décharge (C-taux) : 1C typique; cut-off 3V; un taux de décharge élevé raccourcit la vie de la batterie
Cycle de vie : 500 (lié à la profondeur de décharge, la température)
Emballement thermique : 150 ° C (302 ° F) typique, la charge élevée favorise l'emballement thermique
Applications : Dispositifs médicaux, industriels, groupe motopropulseur électrique (véhicules de marque Tesla)
Commentaires :   Partage des similitudes avec Li-cobalt.

Le titanate de lithium (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

Batteries avec anodes en titanate de lithium connues depuis les années 1980. Le Lithium remplace le titanate de graphite dans l'anode d'une batterie de type lithium-ion et les formes matérielles ont une structure en spinelle. La cathode peut être de l'oxyde de manganèse lithium ou NMC. Le Li-titanate a une tension de cellule nominale de 2.40V, peut être rechargée rapidement et délivre un courant de décharge élevé de 10C, soit 10 fois la capacité nominale. Le comptage de cycle est considéré comme supérieur à celui d'une batterie Li-ion régulière. Le Li-titanate est sûr, présente d'excellentes caractéristiques de décharge à basse température et obtient une capacité de 80 pour cent à -30 ° C (-22 ° F). Cependant, la batterie est coûteuse et à 65Wh / kg, l'énergie spécifique est faible, rivalisant avec celle de NiCd. on charge le Li-titanate à 2.80V par cellule, et la fin de la décharge est à 1.80V par cellule. Les utilisations typiques sont des groupes motopropulseurs électriques, des UPS (onduleurs) et l'éclairage solaire pour les rue.

Résumé des caractéristiques :
Titanate de lithium : Peut être l' oxyde de manganèse lithium ou NMC; Li ₄ Ti ₅ O ₁₂  (titanate) anode forme courte: LTO ou Li-titanate dans le commerce depuis 2008 environ.
Voltages :  2.40V nominale; plage de fonctionnement typique 1.8-2.85V par cellule
Énergie spécifique (capacité) : 70-80Wh / kg
Charge (C-taux) : 1C typique; 5C maximale, charge à 2,85V
Décharge (C-taux) : 10C, 30C impulsion de 5s possible ; cut-off  1.80V sur LCO / LTO
Cycle de vie : 3,000-7,000
Emballement thermique : L'une des plus sûrs batteries Li-ion
Applications : Onduleurs UPS, groupe motopropulseur électrique, l'éclairage solaire des rue
Commentaires :  Longue durée de vie, la charge rapide est possible, large plage de température, mais faible énergie spécifique et coûteux. Parmi les batteries Li-ion les plus sûrs .

Comparatif de l'énergie spécifique pour chaque type de batteries :