Schnelles Verständnis von Eigenschaften und Parameter von sechs allgemeinen Lithium-Batterien (3/6)

March 11, 2019

LiMn2O4

Spinelllithium-Manganatsbatterien wurden zuerst im Jahre 1983 berichtet. Im Jahre 1996 brachte Moli-Energiekonzern Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung des Lithiummanganats als Kathodenmaterial in den Handel. Die Struktur bildet eine dreidimensionale Spinellstruktur, die den Ionenfluß auf die Elektrode verbessern kann, dadurch sie verringert sie den Innenwiderstand und verbessert die Strombelastbarkeit. Ein anderer Vorteil des Spinells ist seine hohe Wärmebeständigkeit und Sicherheit, aber sein Zyklus- und Kalenderleben sind begrenzt.

 

Energie wird am Strom 20-30A mit Ansammlung der mäßigen Hitze entladen. Last pulsiert bis zu 50A1, das Sekunden angewandt auch sein können. Ununterbrochene hohe Last an diesem Strom führt, um Ansammlung zu erhitzen, und die Temperatur der Batterie sollte 80 C (176 F) nicht übersteigen. Lithiummanganat wird in den Elektrowerkzeugen, in den medizinischen Geräten und in den hybriden und reinen Elektro-Mobilen benutzt.

 

Abbildung 4 veranschaulicht die Bildung eines dreidimensionalen Kristallskeletts auf der Kathode einer Lithiummanganatsbatterie. Die Spinellstruktur wird normalerweise aus einer rhombischen Form verfasst, die an das Gitter angeschlossen wird und auftritt normalerweise nach der Bildung von Batterien.

 
Abbildung 4: Lithiummanganatsstruktur. Die Kristallisation der Lithiummanganatskathode hat eine dreidimensionale Skelettkonstruktion, die nach Bildung gebildet wird. Spinell liefert, niedrigen Widerstand aber senkt spezifische Energie als Lithiumkobalt.
 
Die Kapazität des Lithiummanganats ist ungefähr Drittel niedriger als das von Lithiumkobalt. Entwurfsflexibilität erlaubt Ingenieuren zu beschließen, Batteriedauer zu maximieren oder Höchstlaststrom (spezifische Energie) oder die Kapazität (spezifische Energie) zu erhöhen. Zum Beispiel hat die langlebige Version von Batterie 18650 eine mäßige Kapazität von nur 1.100 Milliamperestunde, während die Hochleistungsversion eine mäßige Kapazität von 1.500 Milliamperestunde hat. Abbildung 5 zeigt ein Spinnendiagramm einer typischen Lithiummanganatsbatterie. Diese Kennwerte scheinen nicht ideal, aber der neue Entwurf verbessert in der Energie, in der Sicherheit und im Leben. Reine Lithiummanganatsbatterien sind nicht mehr heute allgemein; sie werden nur in den speziellen Situationen benutzt.
Abb. 5: Spinnendiagramm der reinen Lithiummanganatsbatterie.
Trotz seiner allgemeinen Leistung kann der neue Lithiummanganatsentwurf Energie, Sicherheit und das Leben verbessern.

Das meiste Lithiummanganat wird mit Lithiumnickelmangan-Kobaltoxid (NMC) gemischt um spezifische Energie zu erhöhen und das Leben auszudehnen. Diese Kombination holt die beste Leistung jedes Systems und die meisten Elektro-Mobile, wie Nissan-Blatt, Chevrolet Volt und BMW i3, Gebrauch LMO (NMC). Das LMO-Teil der Batterie kann ungefähr 30% erreichen und höheren Strom an der Beschleunigung zur Verfügung stellen, während das NMC-Teil eine lange Strecke liefert.

 

 

Lithium-Ionen-Batterien neigen, Lithiummanganat mit Kobalt, Nickel, Mangan und/oder Aluminium als aktive Kathodenmaterialien zu kombinieren. In etwas Architektur wird eine kleine Menge Silikon der Anode hinzugefügt. Dieses liefert eine 25% Kapazitätserweiterung; jedoch während Silikon während der Aufladung und der Entladung erweitert und schrumpft, verursacht es mechanische Belastung, die normalerweise zum kurzen Zyklusleben eng verwandt ist.

 

 

Diese drei Arten von aktiven Metallen und von Silikonverstärkung können bequem vorgewählt werden, um spezifische Energie (Kapazität), spezifische Energie (Tragfähigkeit) oder das Leben zu verbessern. Verbraucherbatterien benötigen die große Kapazität, während industrielle Anwendungen Batterieanlagen benötigen, die gute Tragfähigkeit haben, langes Leben und erbringen die sicheren und zuverlässigen Dienstleistungen.

 

 

Zusammenfassende Tabelle

Lithiummanganatsoxid: LiMn2O4 Kathode, Graphitanode;

Abkürzung: LMO oder Li-Mangan (Spinellstruktur) seit 1996

3.0-4.2V Nennwert der Spannung 3.70V (3.80V) 3.70V (3.80V); Typischer Betriebsbereich 3.0-4.2V/battery

Spezifische Energie (Kapazität) 100-150 Wh/kg

Aufladungs(c-Rate) typischer Wert ist 0.7-1C, Grenzwert ist 3C und lädt zu 4.20V auf (die meisten Batterien)

Entladung (c-Rate) 1C; Einige Batterien können 10C, Impuls 30C (5s), Abkürzung 2.50V erreichen.

Zyklus-Leben 300-700 (abhängig von Tiefe der Entladung und der Temperatur)

Der typische Wert des thermischen Durchgehens ist 250 Grad C (482 Grade Fahrenheit). Hohe Gebühr fördert thermisches Durchgehen

 Anwendung von Elektrowerkzeugen, medizinische Ausrüstung, Electric Power-Kraftübertragungssystem

 Anmerkungen: Hohe Leistung aber niedrige Kapazität; sicherer als Lithiumkobalt; normalerweise gemischt mit NMC, um Leistung zu verbessern.