लिथियम-आयन के प्रकार

स्रोत: https://batteryuniversity.com

लिथियम-आयन को इसकी सक्रिय सामग्रियों के लिए नामित किया गया है; शब्द या तो पूर्ण रूप से लिखे गए हैं या उनके रासायनिक प्रतीकों द्वारा संक्षिप्त किए गए हैं। एक साथ अक्षर और संख्याओं की एक श्रृंखला को याद रखना कठिन हो सकता है और उच्चारण करने में भी कठिन हो सकता है, और संक्षिप्त अक्षरों में बैटरी केमिस्ट्री की भी पहचान की जाती है।

उदाहरण के लिए, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड, जो सबसे आम ली-आयनों में से एक है, में रासायनिक प्रतीक LiCoO ₂ और संक्षिप्त LCOO हैं। सरलता के कारणों के लिए, इस बैटरी के लिए संक्षिप्त रूप Li-cobalt का उपयोग किया जा सकता है। कोबाल्ट मुख्य सक्रिय पदार्थ है जो इस बैटरी चरित्र को देता है। अन्य Li-ion केमिस्ट्री को इसी तरह के संक्षिप्त नाम दिए गए हैं। यह खंड सबसे आम ली-आयनों में से छह को सूचीबद्ध करता है। लेखन के समय सभी रीडिंग औसत अनुमान हैं।

लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO ₂ )

इसकी उच्च विशिष्ट ऊर्जा ली-कोबाल्ट को मोबाइल फोन, लैपटॉप और डिजिटल कैमरों के लिए लोकप्रिय विकल्प बनाती है। बैटरी में एक कोबाल्ट ऑक्साइड कैथोड और एक ग्रेफाइट कार्बन एनोड होता है। कैथोड में एक स्तरित संरचना होती है और निर्वहन के दौरान, लिथियम आयन एनोड से कैथोड में चले जाते हैं। प्रवाह चार्ज पर उलट जाता है। ली-कोबाल्ट की खामी अपेक्षाकृत कम जीवन काल, कम तापीय स्थिरता और सीमित भार क्षमता (विशिष्ट शक्ति) है। चित्र 1 संरचना को दर्शाता है।

ली-कोबाल्ट की खामी अपेक्षाकृत कम जीवन काल, कम तापीय स्थिरता और सीमित भार क्षमता (विशिष्ट शक्ति) है। अन्य कोबाल्ट-मिश्रित ली-आयन की तरह, ली-कोबाल्ट में एक ग्रेफाइट एनोड होता है जो एक बदलते ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई) द्वारा चक्र जीवन को सीमित करता है, एनोड और लिथियम पर मोटा होना, जबकि तेज तापमान और कम तापमान पर चार्ज करना। नई प्रणालियों में दीर्घायु, लोडिंग क्षमताओं और लागत में सुधार के लिए निकल, मैंगनीज और / या एल्यूमीनियम शामिल हैं।

ली-कोबाल्ट को चार्ज नहीं किया जाना चाहिए और इसकी सी-रेटिंग से अधिक वर्तमान में छुट्टी दे दी जानी चाहिए। इसका मतलब है कि 2,400mAh के साथ 18650 सेल केवल 2,400mA पर चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता है। तेजी से चार्ज करने या 2,400mA से अधिक लोड लागू करने से ओवरहीटिंग और अनुचित तनाव होता है। इष्टतम फास्ट चार्ज के लिए, निर्माता 0.8C या लगभग 2,000mA की सी-दर की सिफारिश करता है। (सी ई बीयू -402: सी-रेट क्या है )। अनिवार्य बैटरी सुरक्षा सर्किट ऊर्जा सेल के बारे में 1C के सुरक्षित स्तर तक चार्ज और डिस्चार्ज दर को सीमित करता है।

हेक्सागोनल मकड़ी ग्राफिक (चित्रा 2) विशिष्ट ऊर्जा या क्षमता के संदर्भ में ली-कोबाल्ट के प्रदर्शन को सारांशित करता है जो रनटाइम से संबंधित है; विशिष्ट शक्ति या उच्च वर्तमान देने की क्षमता; सुरक्षा; गर्म और ठंडे तापमान पर प्रदर्शन ; जीवन काल चक्र जीवन और दीर्घायु को दर्शाता है; और लागत । मकड़ी के जाले में नहीं दिखाए गए ब्याज की अन्य विशेषताओं में विषाक्तता, फास्ट-चार्ज क्षमताओं, आत्म-निर्वहन और शेल्फ जीवन हैं। ( BU-104c देखें : ऑक्टागन बैटरी - एक बैटरी एक बैटरी क्या बनाती है )।

ली-कोबाल्ट ली-मैंगनीज के पक्ष में खो रहा है, लेकिन विशेष रूप से एनएमसी और एनसीए की वजह से कोबाल्ट की उच्च लागत और अन्य सक्रिय कैथोड सामग्री के साथ सम्मिश्रण करके बेहतर प्रदर्शन। (नीचे NMC और NCA का विवरण देखें।)

सारांश तालिका

तालिका 3: लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड के लक्षण।

लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (LiMn ₂ O ₄ )

मैंगनीज स्पीनल के साथ ली-आयन पहली बार 1983 में मैटेरियल्स रिसर्च बुलेटिन में प्रकाशित हुआ था। 1996 में, मोली एनर्जी ने कैथोड सामग्री के रूप में लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड के साथ ली-आयन सेल का व्यवसायीकरण किया। आर्किटेक्चर एक त्रि-आयामी स्पिनेल संरचना बनाता है जो इलेक्ट्रोड पर आयन प्रवाह को बेहतर बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप कम आंतरिक प्रतिरोध और वर्तमान हैंडलिंग में सुधार होता है। स्पिनेल का एक और लाभ उच्च तापीय स्थिरता और बढ़ी हुई सुरक्षा है, लेकिन चक्र और कैलेंडर जीवन सीमित है।

कम आंतरिक सेल प्रतिरोध तेजी से चार्ज और उच्च-वर्तमान निर्वहन को सक्षम करता है। 18650 के पैकेज में, ली-मैंगनीज को 20-30 ए के मध्यम गर्मी बिल्डअप के साथ डिस्चार्ज किया जा सकता है। 50 ए तक के एक-दूसरे लोड दालों को लागू करना भी संभव है। इस करंट पर लगातार उच्च भार से हीट बिल्डअप होता है और सेल का तापमान 80 ° C (176 ° F) से अधिक नहीं हो सकता है। ली-मैंगनीज का उपयोग बिजली के उपकरणों, चिकित्सा उपकरणों, साथ ही साथ हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए किया जाता है।

चित्रा 4 एक ली-मैंगनीज बैटरी के कैथोड पर तीन आयामी क्रिस्टलीय ढांचे के गठन को दिखाता है। यह स्पिनेल संरचना, जो आमतौर पर एक जाली में जुड़ी हीरे की आकृतियों से बनी होती है, प्रारंभिक गठन के बाद दिखाई देती है।

ली-मैंगनीज में एक क्षमता है जो ली-कोबाल्ट की तुलना में लगभग एक तिहाई कम है। डिजाइन लचीलापन इंजीनियरों को अधिकतम दीर्घायु (जीवन अवधि), अधिकतम भार वर्तमान (विशिष्ट शक्ति) या उच्च क्षमता (विशिष्ट ऊर्जा) के लिए बैटरी को अधिकतम करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, 18650 सेल में लंबे जीवन संस्करण में केवल 1,100mAh की मध्यम क्षमता है; उच्च क्षमता वाला संस्करण 1,500mAh का है।

चित्रा 5 एक विशिष्ट ली-मैंगनीज बैटरी के मकड़ी के जाल को दर्शाता है। विशेषताएँ सीमांत दिखाई देती हैं लेकिन विशिष्ट शक्ति, सुरक्षा और जीवन काल के संदर्भ में नए डिजाइनों में सुधार हुआ है। शुद्ध ली-मैंगनीज बैटरी अब आम नहीं हैं; उनका उपयोग केवल विशेष अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है।

अधिकांश ली-मैंगनीज बैटरी विशिष्ट ऊर्जा में सुधार और जीवन काल को लम्बा खींचने के लिए लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (एनएमसी) के साथ मिश्रित होती है। यह संयोजन प्रत्येक प्रणाली में सर्वश्रेष्ठ लाता है, और LMO (NMC) को अधिकांश इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए चुना जाता है, जैसे निसान लीफ, चेवी वोल्ट और बीएमडब्ल्यू i3। बैटरी का एलएमओ हिस्सा, जो लगभग 30 प्रतिशत हो सकता है, त्वरण पर उच्च वर्तमान बढ़ावा देता है; एनएमसी हिस्सा लंबी ड्राइविंग रेंज देता है।

ली-आयन अनुसंधान सक्रिय रूप से कैथोड सामग्री के रूप में कोबाल्ट, निकल, मैंगनीज और / या एल्यूमीनियम के साथ ली-मैंगनीज के संयोजन की ओर जोर देता है। कुछ वास्तुकला में, एनोड में थोड़ी मात्रा में सिलिकॉन जोड़ा जाता है। यह 25 प्रतिशत क्षमता को बढ़ावा देता है; हालाँकि, लाभ सामान्यतः छोटे चक्र के जीवन से जुड़ा होता है क्योंकि सिलिकॉन बढ़ता है और चार्ज और डिस्चार्ज के साथ सिकुड़ जाता है, जिससे यांत्रिक तनाव होता है।

इन तीन सक्रिय धातुओं, साथ ही सिलिकॉन वृद्धि को विशिष्ट ऊर्जा (क्षमता), विशिष्ट शक्ति (लोड क्षमता) या दीर्घायु बढ़ाने के लिए आसानी से चुना जा सकता है। जबकि उपभोक्ता बैटरी उच्च क्षमता के लिए जाते हैं, औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए बैटरी प्रणालियों की आवश्यकता होती है जिनमें अच्छी लोडिंग क्षमताएं होती हैं, एक लंबी आयु प्रदान करते हैं और सुरक्षित और भरोसेमंद सेवा प्रदान करते हैं।

सारांश तालिका

तालिका 6: लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड के लक्षण।

लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (LiNiMnCoO ₂ या NMC)

सबसे सफल ली-आयन प्रणालियों में से एक निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट (एनएमसी) का कैथोड संयोजन है। ली-मैंगनीज के समान, ये सिस्टम एनर्जी सेल या पावर सेल के रूप में सर्विस ई के अनुरूप हो सकते हैं । उदाहरण के लिए, मध्यम लोड स्थिति के लिए 18650 सेल में एनएमसी की क्षमता लगभग 2,800mAh है और यह 4A से 5A तक पहुंचा सकता है; विशिष्ट बिजली के लिए अनुकूलित एक ही सेल में NMC की क्षमता केवल लगभग 2,000mAh है, लेकिन यह 20A के निरंतर डिस्चार्ज करंट को बचाता है। एक सिलिकॉन-आधारित एनोड 4,000mAh और उच्चतर लेकिन कम लोडिन जी क्षमता और कम चक्र जीवन में जाएगा। सिलिकॉन को ग्रेफाइट में जोड़ा गया दोष यह है कि एनोड बढ़ता है और चार्ज और डिस्चार्ज के साथ सिकुड़ जाता है, जिससे सेल यांत्रिक रूप से अस्थिर हो जाता है।

NMC का रहस्य निकल और मैंगनीज के संयोजन में है। इसका एक उपमा टेबल नमक है जिसमें मुख्य तत्व, सोडियम और क्लोराइड अपने आप ही विषाक्त हो जाते हैं, लेकिन उन्हें मिश्रित करने से मसाला नमक और भोजन परिरक्षक के रूप में कार्य करता है। निकल अपनी उच्च विशिष्ट ऊर्जा लेकिन खराब स्थिरता के लिए जाना जाता है; मैंगनीज को कम आंतरिक प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए एक स्पिनेल संरचना बनाने का लाभ होता है, लेकिन एक कम विशिष्ट ऊर्जा प्रदान करता है। धातुओं को मिलाने से एक-दूसरे की ताकत बढ़ती है।

एनएमसी बिजली उपकरण, ई-बाइक और अन्य इलेक्ट्रिक पावरट्रेन के लिए पसंद की बैटरी है। कैथोड संयोजन आमतौर पर एक तिहाई निकल, एक तिहाई मैंगनीज और एक तिहाई कोबाल्ट, जिसे 1-1-1 के रूप में भी जाना जाता है। यह एक अनूठा मिश्रण प्रदान करता है जो कोबाल्ट सामग्री को कम करने के कारण कच्चे माल की लागत को कम करता है। एक और सफल संयोजन NCM है जिसमें 5 भाग निकल, 3 भाग कोबाल्ट और 2 भाग मैंगनीज (5-3-2) हैं। कैथोड सामग्री की विभिन्न मात्रा का उपयोग करने वाले अन्य संयोजन संभव हैं।

बैटरी निर्माता कोबाल्ट की उच्च लागत की वजह से कोबाल्ट सिस्टम से निकल कैथोड्स की ओर चले जाते हैं। निकेल-आधारित प्रणालियों में कोबाल्ट-आधारित कोशिकाओं की तुलना में उच्च ऊर्जा घनत्व, कम लागत और लंबे समय तक जीवन चक्र होता है, लेकिन उनके पास थोड़ा कम वोल्टेज होता है।

नई इलेक्ट्रोलाइट्स और एडिटिव्स क्षमता को बढ़ावा देने के लिए 4.4 वी / सेल और उच्चतर चार्ज करने में सक्षम हैं। चित्रा 7 एनएमसी की विशेषताओं को प्रदर्शित करता है।

एनएमसी-मिश्रित ली-आयन की ओर एक कदम है क्योंकि प्रणाली को आर्थिक रूप से बनाया जा सकता है और यह एक अच्छा प्रदर्शन प्राप्त करता है। ऑटोमोटिव और ऊर्जा भंडारण प्रणालियों (ईईएस) के लिए आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला के अनुरूप निकल, मैंगनीज और कोबाल्ट की तीन सक्रिय सामग्रियों को आसानी से मिश्रित किया जा सकता है, जिन्हें अक्सर साइकिल चलाने की आवश्यकता होती है। एनएमसी परिवार अपनी विविधता में बढ़ रहा है।

सारांश तालिका

तालिका 8: लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (एनएमसी) के लक्षण।

लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO ₄ )

1996 में, टेक्सास विश्वविद्यालय (और अन्य योगदानकर्ताओं) ने रिचार्जेबल लिथियम बैटरी के लिए कैथोड सामग्री के रूप में फॉस्फेट की खोज की। ली-फॉस्फेट कम प्रतिरोध के साथ अच्छा विद्युत रासायनिक प्रदर्शन प्रदान करता है। यह नैनो-स्केल फॉस्फेट कैथोड सामग्री के साथ संभव बनाया गया है। मुख्य लाभ उच्च वर्तमान रेटिंग और लंबे चक्र जीवन के अलावा, अच्छी थर्मल स्थिरता, बढ़ी हुई सुरक्षा और सहिष्णुता है अगर दुरुपयोग किया जाता है।

ली-फॉस्फेट पूर्ण प्रभार की स्थिति के लिए अधिक सहिष्णु है और लंबे समय तक उच्च वोल्टेज पर रखे जाने पर अन्य लिथियम-आयन प्रणालियों की तुलना में कम जोर दिया जाता है। ( BU-808 देखें : लिथियम आधारित बैटरी को कैसे लम्बा करें )। ट्रेड-ऑफ के रूप में, 3.2V / सेल का इसका निचला नाममात्र वोल्टेज कोबाल्ट-मिश्रित लिथियम-आयन के नीचे विशिष्ट ऊर्जा को कम करता है। अधिकांश बैटरी के साथ, ठंडा तापमान प्रदर्शन को कम करता है और ऊंचा भंडारण तापमान सेवा जीवन को छोटा करता है, और ली-फॉस्फेट कोई अपवाद नहीं है। ली-फॉस्फेट में अन्य ली-आयन बैटरी की तुलना में उच्च स्व-निर्वहन होता है, जो उम्र बढ़ने के साथ संतुलन की समस्या पैदा कर सकता है। यह उच्च गुणवत्ता वाली कोशिकाओं को खरीदने और / या परिष्कृत नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके कम किया जा सकता है, जो दोनों पैक की लागत को बढ़ाते हैं। दीर्घायु के लिए विनिर्माण में स्वच्छता का महत्व है। नमी के लिए कोई सहिष्णुता नहीं है, ऐसा नहीं है कि बैटरी केवल 50 चक्र वितरित करेगी। चित्रा 9 ली-फॉस्फेट की विशेषताओं को संक्षेप में प्रस्तुत करता है।

ली-फॉस्फेट का उपयोग अक्सर लीड एसिड स्टार्टर बैटरी को बदलने के लिए किया जाता है। श्रृंखला में चार कोशिकाएं 12.80V का उत्पादन करती हैं, श्रृंखला में छह 2V लीड एसिड कोशिकाओं के समान वोल्टेज। वाहन चार्ज एसिड को 14.40V (2.40V / सेल) तक ले जाते हैं और एक टॉपिंग चार्ज बनाए रखते हैं। टॉपिंग चार्ज को पूर्ण चार्ज स्तर बनाए रखने और एल ead एसिड बैटरी पर सल्फेशन को रोकने के लिए लागू किया जाता है ।

श्रृंखला में चार ली-फॉस्फेट कोशिकाओं के साथ, प्रत्येक कोशिका 3.60V पर सबसे ऊपर है, जो सही पूर्ण चार्ज वोल्टेज है। इस बिंदु पर, चार्ज काट दिया जाना चाहिए लेकिन ड्राइविंग करते समय टॉपिंग चार्ज जारी रहता है। ली-फॉस्फेट कुछ ओवरचार्ज के प्रति सहिष्णु है; हालांकि, वोल्टेज को लंबे समय तक 14.40V पर रखना, जैसा कि ज्यादातर वाहन लंबी सड़क यात्रा पर करते हैं, ली-फॉस्फेट पर जोर दे सकते हैं। समय बताएगा कि ली-फॉस्फेट एक नियमित वाहन चार्जिंग सिस्टम के साथ लीड एसिड प्रतिस्थापन के रूप में कैसे होगा। शीत तापमान भी ली-आयन के प्रदर्शन को कम करता है और यह चरम मामलों में क्रैंकिंग क्षमता को प्रभावित कर सकता है।

सारांश तालिका

तालिका 10: लिथियम आयरन फॉस्फेट के लक्षण।

लिथियम निकल कोबाल्ट एल्यूमीनियम ऑक्साइड (LiNiCoAlO ₂ )

लिथियम निकेल कोबाल्ट एल्यूमीनियम ऑक्साइड बैटरी, या एनसीए, विशेष अनुप्रयोगों के लिए 1999 के बाद से किया गया है। यह उच्च विशिष्ट ऊर्जा, यथोचित अच्छी विशिष्ट शक्ति और लंबे जीवन काल की पेशकश करके एनएमसी के साथ समानताएं साझा करता है। कम चापलूसी सुरक्षा और लागत है। चित्रा 11 छह प्रमुख विशेषताओं का सारांश देता है। एनसीए लिथियम निकल ऑक्साइड का एक और विकास है; एल्यूमीनियम जोड़ने से रसायन विज्ञान को अधिक स्थिरता मिलती है।

सारांश तालिका

तालिका 12: लिथियम निकल कोबाल्ट एल्यूमीनियम ऑक्साइड के लक्षण।

लिथियम टाइटन (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

लिथियम टिटानेट एनोड के साथ बैटरियों को 1980 के दशक से जाना जाता है। ली-टाइटनेट एक विशिष्ट लिथियम-आयन बैटरी के एनोड में ग्रेफाइट की जगह लेता है और सामग्री एक स्पिनल संरचना में बन जाती है। कैथोड लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड या एनएमसी हो सकता है। Li-titanate में 2.40V का नाममात्र सेल वोल्टेज होता है, जिसे तेजी से चार्ज किया जा सकता है और 10C, या 10 बार रेटेड क्षमता के उच्च निर्वहन वर्तमान को बचाता है। चक्र की गिनती एक नियमित ली-आयन की तुलना में अधिक है। Li-titanate सुरक्षित है, इसमें उत्कृष्ट कम तापमान वाली डिस्चार्ज विशेषताएं हैं और यह 80 प्रतिशत की क्षमता -30 ° C (–22 ° F) प्राप्त करता है।

LTO (आमतौर पर Li4Ti ₅ O ₁₂ ) में जीरो-स्ट्रेन प्रॉपर्टी को प्राप्त करके ग्रेफाइट एनोड के साथ पारंपरिक कोबाल्ट-ब्लेंडेड ली-आयन पर फायदे होते हैं, कोई एसईआई फिल्म का गठन नहीं होता है और जब कम तापमान पर फास्ट चार्जिंग और चार्जिंग होती है तो कोई लिथियम प्लेटिंग नहीं करता है। उच्च तापमान के तहत थर्मल स्थिरता अन्य ली-आयन प्रणालियों की तुलना में बेहतर है; हालाँकि, बैटरी महंगी है। केवल 65Wh / kg पर, विशिष्ट ऊर्जा कम है, जो NiCd की प्रतिद्वंद्वी है। 2.80V / सेल के लिए ली-टाइटनेट चार्ज, और डिस्चार्ज का अंत 1.80V / सेल है। चित्र 13 Li-titanate बैटरी की विशेषताओं को दर्शाता है। विशिष्ट उपयोग विद्युत पावरट्रेन, यूपीएस और सौर ऊर्जा संचालित स्ट्रीट लाइटिंग हैं।
 

सारांश तालिका

तालिका 14: लिथियम टाइटानेट के लक्षण।

चित्र 15 में सीसे-, निकल और लिथियम-आधारित प्रणालियों की विशिष्ट ऊर्जा की तुलना की गई है। जबकि ली-एल्यूमीनियम (NCA) अन्य प्रणालियों की तुलना में अधिक क्षमता का भंडारण करके स्पष्ट विजेता है, यह केवल विशिष्ट ऊर्जा पर लागू होता है। विशिष्ट शक्ति और थर्मल स्थिरता के संदर्भ में, ली-मैंगनीज (एलएमओ) और ली-फॉस्फेट (एलएफपी) बेहतर हैं। Li-titanate (LTO) में कम क्षमता हो सकती है, लेकिन यह रसायन विज्ञान जीवन काल के संदर्भ में अन्य बैटरी की तुलना करता है और इसमें ठंडे तापमान का सबसे अच्छा प्रदर्शन होता है। विद्युत पावरट्रेन, सुरक्षा और चक्र जीवन की ओर बढ़ने से क्षमता पर प्रभुत्व प्राप्त होगा। (एलसीओ का अर्थ है ली-कोबाल्ट, मूल ली-आयन।)

चित्र 15: सीसे की विशिष्ट विशिष्ट ऊर्जा-, निकल- और लिथियम-आधारित बैटरी।
एनसीए को उच्चतम विशिष्ट ऊर्जा प्राप्त है; हालांकि, मैंगनीज और फॉस्फेट विशिष्ट शक्ति और थर्मल स्थिरता के मामले में बेहतर हैं। Li-titanate में सबसे अच्छा जीवन काल होता है।
^{कैडेक्स के सौजन्य से}