Wir sprechen oft von ternären Lithium-Batterien oder Eisen-Lithium-Batterien, die nach dem positiven Aktivmaterial benannt sind. Die sechs gängigen Arten von Lithiumbatterien umfassen: Lithium-Kobalt-Oxid, Lithium-Manganat, Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat (NCM), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminat (NCA), Lithium-Eisen-Phosphat und Lithium-Titanat.

1. Lithiumkobaltoxid (LiCoO2)

Seine hohe spezifische Energie macht Lithium-Kobalt-Oxid zu einer beliebten Wahl für Mobiltelefone, Laptops und Digitalkameras. Die Nachteile von Lithium-Cobalt-Oxid sind relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Belastbarkeit (spezifische Leistung). Wie andere Kobalt-Hybrid-Lithium-Ionen-Batterien verwendet Lithium-Kobaltoxid eine Graphitanode, und seine Lebensdauer wird hauptsächlich durch die Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) begrenzt, die sich hauptsächlich in der allmählichen Verdickung des SEI-Films und der negativen Elektrodenbeschichtung manifestiert beim Schnellladen oder Laden bei niedriger Temperatur. Lithium-Problem. Neuere Materialsysteme fügen Nickel, Mangan und/oder Aluminium hinzu, um die Lebensdauer und Belastbarkeit zu verbessern und die Kosten zu senken.

Lithiumkobaltoxid zeichnet sich durch eine hohe spezifische Energie aus, bietet jedoch nur eine mittelmäßige Leistung in Bezug auf Leistungseigenschaften, Sicherheit und Lebensdauer.

2. Lithiummanganat (LiMn2O4)

Spinell-Lithiummanganatbatterien wurden erstmals 1983 in Materials Research veröffentlicht. 1996 brachte Moli Energy Lithium-Ionen-Batterien mit Lithiummanganat als Kathodenmaterial auf den Markt. Die Architektur bildet eine dreidimensionale Spinellstruktur, die den Ionenfluss über die Elektroden verbessert, wodurch der Innenwiderstand reduziert und die Strombelastbarkeit verbessert wird. Ein weiterer Vorteil von Spinell ist eine hohe thermische Stabilität und verbesserte Sicherheit, aber eine begrenzte Zyklus- und Kalenderlebensdauer.

Niedriger Batterieinnenwiderstand ermöglicht schnelles Laden und Hochstromentladen. Lithium-Manganat-Batterien vom Typ 18650 können bei einem Strom von 20-30 A bei mäßiger Wärmestauung entladen werden, und die Batterietemperatur darf 80 °C nicht überschreiten. Lithiummanganat wird in Elektrowerkzeugen, medizinischen Geräten sowie Hybrid- und reinen Elektrofahrzeugen verwendet. Die Kapazität von Lithiummanganat ist etwa ein Drittel geringer als die von Lithiumcobaltat. Die Designflexibilität ermöglicht es Ingenieuren, die Batterielebensdauer zu maximieren oder den maximalen Laststrom oder die maximale Kapazität zu erhöhen.

Reine Lithium-Manganat-Batterien sind heute nicht mehr üblich; Sie werden nur in Sonderfällen verwendet.

Das meiste Lithiummanganat wird mit Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) gemischt, um die spezifische Energie zu erhöhen und die Lebensdauer zu verlängern. Diese Kombination holt die beste Leistung aus jedem System heraus, und die meisten Elektrofahrzeuge wie der Nissan Leaf, der Chevrolet Volt und der BMW i3 entscheiden sich für LMO (NMC). Der LMO-Teil der Batterie kann etwa 30 % erreichen und beim Beschleunigen einen höheren Strom liefern; Der NMC-Teil bietet eine große Reichweite.

Die Li-Ionen-Batterieforschung tendiert dazu, Lithiummanganat mit Kobalt, Nickel, Mangan und/oder Aluminium als aktive Kathodenmaterialien zu kombinieren. Bei einigen Architekturen wird der negativen Elektrode eine kleine Menge Silizium hinzugefügt. Dies bietet eine Kapazitätssteigerung von 25 %; Silizium dehnt sich jedoch beim Laden und Entladen aus und zieht sich zusammen, was zu mechanischer Belastung führt, und die Kapazitätserhöhung ist oft eng mit einer kurzen Lebensdauer verbunden.

3. Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat (NMC)

Eines der erfolgreichsten Li-Ionen-Systeme ist die Kathodenkombination aus Nickel-Mangan-Kobalt (NMC). Ähnlich wie Lithiummanganat kann dieses System für den Einsatz als Energie- oder Leistungsbatterie maßgeschneidert werden. Beispielsweise hat ein NMC in einem 18650-Akku unter mäßigen Lastbedingungen eine Kapazität von etwa 2.800 mAh und kann einen Entladestrom von 4 A bis 5 A liefern; Der gleiche NMC-Typ hat, wenn er für eine bestimmte Leistung optimiert ist, eine Kapazität von nur 2.000 mAh, kann aber 20 A kontinuierlichen Entladestrom liefern. Die negative Elektrode auf Siliziumbasis erreicht mehr als 4000 mAh, aber die Ladekapazität wird reduziert und die Lebensdauer verkürzt. Dem Graphit zugesetztes Silizium hat den Mangel, dass sich die negative Elektrode beim Laden und Entladen ausdehnt und zusammenzieht, wodurch die Batterie mechanisch belastet und strukturell instabil wird.

Das Geheimnis von NMC ist die Kombination von Nickel und Mangan. Ähnlich verhält es sich mit Speisesalz, bei dem die Hauptbestandteile Natrium und Chlorid allein giftig sind, aber als Gewürzsalz und Lebensmittelkonservierungsmittel vermischt werden. Nickel ist bekannt für seine hohe spezifische Energie, aber schlechte Stabilität; Die Mangan-Spinell-Struktur kann einen niedrigen Innenwiderstand, aber eine niedrige spezifische Energie erreichen. Die Vorteile der beiden Aktivmetalle ergänzen sich.

NMC ist die Batterie der Wahl für Elektrowerkzeuge, E-Bikes und andere Elektroantriebe. Die positive Elektrodenkombination besteht normalerweise zu einem Drittel aus Nickel, zu einem Drittel aus Mangan und zu einem Drittel aus Kobalt, auch bekannt als 1-1-1. Dies bietet eine einzigartige Mischung, die aufgrund des reduzierten Kobaltgehalts auch die Rohstoffkosten senkt. Eine weitere erfolgreiche Kombination ist NCM, das 5 Teile Nickel und 3 Teile Kobalt enthält.