Литий-ионные элементы и их химический состав, о котором вам полезно узнать

Основным компонентом аккумуляторных батарей, обеспечивающих питание всего, от бытовой электроники до электромобилей, является литий-ионный элемент.

Литий-ионные элементы, как правило, не являются отдельными частями. Они соединены последовательно и параллельно, образуя окончательную сборку, называемую аккумуляторной батареей. Но для каждой аккумуляторной батареи выбранная ячейка элементов определяет срок службы и производительность всей батареи. Рабочие характеристики элемента определяют размер, вес, напряжение, ток, мощность и экологические характеристики «финальной версии» аккумуляторной батареи.

Литий-ионные элементы бывают трех основных форм: цилиндрической, призматической (или кирпичной) и плоской прямоугольной формы литий-полимерных элементов. Стандартные форматы цилиндрических ячеек в металлическом корпусе: 18650 (диаметр 18 мм × высота 65 мм), 21700 (21 × 70 мм) или 26650 (26 × 65 мм). Внутри цилиндрических и призматических ячеек слои материала батареи свернуты внутрь, как рулон желе. Литий-ионные цилиндрические и призматические элементы «расфасованы» в металлические банки.

Призматические элементы или элементы в форме кирпича часто бывают более экономичны и доступны в бесчисленных размерах. Одна из основных особенностей призматической ячейки — это сброс давления с выводами наверху металлической банки. Положительный и отрицательный выводы на призматической ячейке — это выступы из ячейки. В многоэлементных аккумуляторных батареях с ограниченным пространством рекомендуется использовать призматические элементы, поскольку их прямоугольная форма приводит к минимальным зазорам между элементами.

Литий-полимерные элементы, иногда называемые «ламинатными», доступны в специальных посадочных местах. Они могут быть очень тонкими или громоздкими в зависимости от требуемого формата. Основным преимуществом литий-полимерных батарей является широкий диапазон доступных форм-факторов. Эти типы ячеек заключены в негибкие пакеты из ламината и алюминиевой фольги, которые имеют толщину всего 0,1 мм по сравнению с толщиной 0,25–0,40 мм у алюминиевых или стальных банок, используемых для заключения цилиндрических или призматических ячеек. В отличие от цилиндрических элементов, в категории литий-полимерных не так много стандартных посадочных мест. Это приводит к увеличению спроса предложений ячеек.

Крупные производители смартфонов и других портативных устройств отдают предпочтение литий-полимерным элементам, поскольку они занимают более гибкую позицию. За последнее десятилетие многие персональные компьютеры перешли от цилиндрических к литий-полимерным элементам, что открывает путь к более тонким и легким ноутбукам и планшетам.

Тенденции химической составляющей ячеек

В случае литий-ионных элементов химический состав, лежащий в их основе, определяет рабочие характеристики элементов. За последнее десятилетие было введено множество химических составов аккумуляторных ячеек, и каждая из этих формул выявила четкие тенденции. Наиболее распространенными химическими составами элементов являются оксид лития-кобальта (LCO), литий-никель-кобальт-оксид алюминия (NCA), литий-никель-марганцевый оксид-кобальт (NMC) и фосфат лития-железа (LFP).

Десять лет назад LCO был самым распространенным химическим веществом для цилиндрических и призматических ячеек. Тем не менее, NMC вышла вперед с лучшими рабочими характеристиками из всех химических составов ячеек. Она также более экономична, поскольку в ней используется меньше кобальта, а его запасы ограничены и он стоит дорого.

Никель и марганец усиливают характеристики друг друга, а вариации основной формулы приводят к более совершенным элементам с большей мощностью. По оценкам отраслевых аналитиков, к 2025 году на NMC будет приходиться 20% всех литий-ионных аккумуляторных элементов на рынке. Кроме того, производители электромобилей отдают предпочтение NMC. Ведущие производители ячеек NMC включают BYD, LG, Murata, Panasonic / Sanyo и Samsung.

Химический состав LFP также предлагает хорошие электрохимические характеристики с низким импедансом, поскольку в нем используется фосфатный материал для катода. Ключевые преимущества — высокая сила тока и исключительный срок службы, хорошая термическая стабильность и превосходная безопасность в неблагоприятных условиях. Эти типы элементов имеют более безопасный катодный материал, чем батареи NMC, и не разлагаются при более высоких температурах. Литий-ионные элементы обычно содержат легковоспламеняющиеся вещества; если они повреждены или перезаряжены, они могут неконтролируемо перегреться при тепловом разгоне. Перегрев может привести к задымлению, пожару или даже взрывам.

Аккумуляторы LFP обеспечивают лучшую термическую и химическую стабильность. Кроме того, поскольку LFP имеет меньшую удельную энергию (как по объему, так и по весу) и более высокую стоимость ватт-часа, чем батареи LCO, NCA, NMC или LFP, он идеально подходит для приложений, требующих высокой мощности и длительного срока службы, или повышенные рабочие температуры. Традиционно LCO / NCA / NMC и LFP практически не пересекались в их конкретных приложениях. Ведущие производители ячеек LFP включают BAK, BYD, CALB и CATL.

Батарейные элементы NMC вытесняют ячейки LFP в некоторых приложениях из-за увеличения номинальной мощности, высокой плотности энергии и более низкой стоимости ватт-часа. Они также начинают заменять элементы LFP в мощных системах, таких как электроинструменты, аккумуляторы для погрузочно-разгрузочного оборудования и трансмиссии для электрических автобусов.

Для каждого химического состава ячейки существует сегментация внутри каждой категории, поскольку производители аккумуляторов продвигают свою продукцию в сегменты рынка с большой емкостью или большой мощностью. Мы начинаем видеть большее совпадение между мощными NMC и высокоэнергетическими ячейками LFP. Во многих случаях уже не существует явно превосходного химического состава ячеек для определенного набора требований к производительности.

Green Cubes Technology производит аккумуляторные батареи для многих промышленных применений, и компания обычно использует элементы NMC или LFP. Разрыв в производительности между NMC и LFP сокращается.

Тенденции формата ячеек

Для обзора: литий-ионные элементы, упакованные в металлические корпуса, бывают двух форм — цилиндрической и призматической.

Цилиндрические элементы бывают разных форматов, но традиционно самым популярным форматом для аккумуляторных элементов LCO, NCA и NMC был 18650. И когда Panasonic в партнерстве с Tesla создала новую батарею для электромобилей, они разработали уникальный формат ячеек 21700.

Увеличение размеров ячейки 18650 на несколько миллиметров (рисунок ниже) приводит к увеличению объема активного материала батареи на 50%. Этот размер ячеек в настоящее время поддерживается большинством ведущих производителей ячеек NMC. В результате 18650 и 21700 являются двумя наиболее распространенными форматами для химии NMC. Если вы выберете элемент 18650 или 21700 для создания аккумуляторной батареи NMC, то с учетом стандартизации можно будет найти альтернативный элемент с аналогичной производительностью.

Сравнение ячеек литий ионного аккумулятора формата 18650 и 21700

По данным отраслевых аналитиков, в 2020 году было отгружено более 2 миллиардов ячеек формата 21700, что на 25% больше, чем в предыдущем году. По другим оценкам, на эти типы элементов также приходилось 24% всех цилиндрических батарей, поставленных в 2020 году. Ячейка 26650 обычно не сочетается с химическим составом NMC. Меньшие призматические форматы NMC, такие как 103450 (10 × 34 × 50 мм), в последние годы потеряли позиции на рынке, поскольку литий-полимерные элементы стали более популярными.

Для ячеек LFP распространены форматы 18650 и 26650; оба обычно предлагаются ведущими производителями ячеек LFP (рисунок ниже). Это позволяет использовать два источника от конкурирующих производителей ячеек при выборе ячеек LFP для аккумуляторной батареи. Формат 26650 в значительной степени ограничен химическим составом клеток LFP. Большие призматические ячейки LFP в диапазоне от 50 до 100 Ач приобрели популярность за последние несколько лет.

Характеристики производительности стандартных 18650 аккумуляторных ячеек NMC и LFP

Призматические форматы LFP большего размера обычно используются в электромобилях или промышленном оборудовании, таком как вилочные погрузчики (рисунок ниже). Эти батареи классифицируются как средне- и крупноформатные и требуют очень высокой мощности. К сожалению, стандарты для крупноформатных призматических ячеек LFP отсутствуют, поэтому любая ячейка, выбранная для аккумуляторной батареи, будет поставляться из одного источника от определенного производителя.

Аккумулятор для вилочного погрузчика среднего формата основан на элементах LFP емкостью 100 Ач

Вывод

При разработке мобильного или портативного устройства, в котором для питания используются литий-ионные батареи, важно помнить о различных форматах и химическом составе ячеек, представленных на рынке. Выбор элемента питания является наиболее важным решением на ранней стадии проектирования не только аккумуляторной батареи, но и конечного устройства. Выбор формата литий-ионного аккумулятора и его химического состава с учетом динамики рынка может помочь гарантировать длительный жизненный цикл элемента и предоставить план повышения производительности и затрат на протяжении всего срока службы вашего устройства.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *