लिथियम बैटरी के छह सामान्य प्रकार और उनके मुख्य प्रदर्शन मापदंड

हम अक्सर तृतीयक लिथियम बैटरी या लिथियम आयरन बैटरी के बारे में बात करते हैं, जो कैथोड सक्रिय सामग्री के बाद लिथियम बैटरी के लिए नामित हैं।इस पेपर में छह आम लिथियम बैटरी प्रकारों और उनके मुख्य प्रदर्शन मापदंडों का सारांश दिया गया है।. जैसा कि हम सभी जानते हैं, सेल के एक ही तकनीकी मार्ग, विशिष्ट मापदंडों बिल्कुल एक ही नहीं हैं, इस पेपर वर्तमान मापदंडों के सामान्य स्तर को दर्शाता है.छह लिथियम बैटरी में शामिल हैं: लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2), लिथियम मैंगनीज मैंगनेट (LiMn2O4), लिथियम निकेल-कोबाल्ट मैंगनेट (LiNiMnCoO2 या NMC), लिथियम निकेल-कोबाल्ट एल्यूमिनेट (LiNiCoAlO2 या NCA),लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO4) और लिथियम टाइटनेट (Li4Ti5O12).

लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2) इसकी उच्च विशिष्ट ऊर्जा लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड को मोबाइल फोन, लैपटॉप और डिजिटल कैमरों के लिए एक लोकप्रिय विकल्प बनाती है।बैटरी में एक कोबाल्ट-ऑक्साइड कैथोड और एक ग्रेफाइट-कार्बन एनोड होता हैकैथोड में एक परत संरचना होती है, जिसके दौरान लिथियम आयन एनोड से कैथोड में जाते हैं, और चार्जिंग प्रक्रिया विपरीत दिशा में बहती है। कैथोड में एक परत संरचना होती है।निर्वहन के दौरानचार्जिंग के दौरान कैथोड से एनोड तक लीथियम आयनों का प्रवाह होता है। लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड के नुकसान इसकी अपेक्षाकृत छोटी आयु है,कम थर्मल स्थिरता और सीमित भार क्षमता (विशिष्ट शक्ति)अन्य कोबाल्ट हाइब्रिड लिथियम-आयन बैटरी की तरह, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड ग्राफाइट एनोड का उपयोग करता है, और इसके चक्र जीवन को मुख्य रूप से ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई) द्वारा सीमित किया जाता है,मुख्य रूप से एसईआई फिल्म के क्रमिक मोटापे में परिलक्षित होता है, और फास्ट चार्जिंग या कम तापमान चार्जिंग प्रक्रिया में एनोड लिथियम प्लेटिंग। जीवन में सुधार के लिए नई सामग्री प्रणालियों में निकल, मैंगनीज और / या एल्यूमीनियम जोड़ा जाता है,भार क्षमता और लागत में कमीलिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड को क्षमता से अधिक धारा पर चार्ज और डिस्चार्ज नहीं किया जाना चाहिए। इसका मतलब है कि 2,050 से अधिक बैटरी के साथ 18,650 बैटरी,400mAh केवल 2 से कम या बराबर पर चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता है,400mA. जबरन तेजी से चार्ज या 2400mA से अधिक भार लागू करने से ओवरहीटिंग और ओवरलोड तनाव हो सकता है। इष्टतम तेजी से चार्ज के लिए निर्माता 0 के चार्ज गुणक की सिफारिश करता है।8C या लगभग 2बैटरी सुरक्षा सर्किट ऊर्जा इकाई की चार्ज और डिस्चार्ज दरों को लगभग 1C के सुरक्षा स्तर तक सीमित करता है।

लिथियम मैंगनेट (LiMn2O4) लिथियम स्पिनल मैंगनेट बैटरी पहली बार 1983 में प्रकाशित की गई थी। 1996 में, मोली एनर्जी ने कैथोड सामग्री के रूप में लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड के साथ लिथियम-आयन बैटरी का व्यावसायीकरण किया।वास्तुकला एक 3 आयामी स्पिनल संरचना बनाता है जो इलेक्ट्रोड पर आयन प्रवाह में सुधार करता है और, इस प्रकार आंतरिक प्रतिरोध को कम करने और वर्तमान ले जाने की क्षमता में सुधार। स्पिनल का एक अन्य लाभ इसकी उच्च थर्मल स्थिरता, बेहतर सुरक्षा है,लेकिन सीमित चक्र और कैलेंडर जीवन. कम बैटरी आंतरिक प्रतिरोध तेजी से चार्ज और उच्च वर्तमान निर्वहन की अनुमति देता है. प्रकार 18650 कोशिकाओं, लिथियम मैंगनेट बैटरी 20-30A के वर्तमान पर निर्वहन कर सकते हैं,मध्यम गर्मी संचय के साथ. 50A1 सेकंड तक लोड पल्स भी लागू किया जा सकता है। इस धारा पर निरंतर उच्च लोड गर्मी के निर्माण का कारण बनता है, और बैटरी का तापमान 80 °C (176 °F) से अधिक नहीं हो सकता है।लिथियम मैंगानेट का प्रयोग विद्युत औजारों में किया जाता हैलिथियम मैंगनेट लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड की तुलना में लगभग एक तिहाई कम शक्तिशाली है।डिजाइन में लचीलापन इंजीनियरों को बैटरी के जीवन को अधिकतम करने के लिए चुनने की अनुमति देता है, या अधिकतम लोड करंट (विशिष्ट शक्ति) या क्षमता (विशिष्ट ऊर्जा) को बढ़ाने के लिए। उदाहरण के लिए 18650 बैटरी के लंबे जीवन संस्करण में केवल 1,100mAh की मामूली क्षमता है;उच्च क्षमता वाले संस्करण में 1,500mAh.

अधिकांश लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड को लिथियम निकेल-मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (एनएमसी) के साथ मिश्रित किया जाता है ताकि विशिष्ट ऊर्जा को बढ़ाया जा सके और जीवनकाल बढ़ाया जा सके। यह संयोजन प्रत्येक प्रणाली के लिए सर्वोत्तम प्रदर्शन प्रदान करता है,और अधिकांश इलेक्ट्रिक वाहन, जैसे कि निसान लीफ, शेवरलेट वोल्ट, और बीएमडब्ल्यू आई 3, में एलएमओ (एनएमसी) है। बैटरी का एलएमओ हिस्सा लगभग 30% तक पहुंच सकता है, जो त्वरण के दौरान एक उच्च धारा प्रदान कर सकता है;और एनएमसी भाग एक लंबी रेंज प्रदान करता हैलिथियम-आयन बैटरी के अध्ययन में लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड को कोबाल्ट, निकल, मैंगनीज और/या एल्यूमीनियम के साथ सक्रिय कैथोड सामग्री के रूप में मिलाया जाता है।एनोड में सिलिकॉन की एक छोटी मात्रा जोड़ी जाती हैयह 25% क्षमता वृद्धि प्रदान करता है; हालांकि, सिलिकॉन चार्ज और डिस्चार्ज के साथ विस्तार और संकुचन करता है, जिससे यांत्रिक तनाव होता है,और क्षमता वृद्धि अक्सर एक छोटी चक्र जीवन के साथ निकटता से जुड़ा हुआ हैइन तीन सक्रिय धातुओं और सिलिकॉन संवर्धन को विशिष्ट ऊर्जा (क्षमता), विशिष्ट शक्ति (लोड क्षमता) या जीवन में सुधार के लिए आसानी से चुना जा सकता है। उपभोक्ता बैटरी के लिए बड़ी क्षमता की आवश्यकता होती है।,जबकि औद्योगिक अनुप्रयोगों में अच्छी भार क्षमता, लंबे जीवन और सुरक्षित और विश्वसनीय सेवाएं प्रदान करने वाली बैटरी प्रणालियों की आवश्यकता होती है।

लिथियम-निकल-कोबाल्ट-मैंगनीज-मैंगनेट (LiNiMnCoO2 या NMC) की सबसे सफल लिथियम-आयन प्रणालियों में से एक निकेल-निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट (NMC) का कैथोड संयोजन है।लिथियम मैंगनेट के समानउदाहरण के लिए, मध्यम भार की स्थिति में एक 18650 बैटरी में एनएमसी की क्षमता लगभग 2,600 है।800mAh और 4A से 5A डिस्चार्ज करंट प्रदान कर सकता हैइसी प्रकार के एनएमसी को केवल 2,000 एमएएच की क्षमता के साथ एक विशिष्ट शक्ति के लिए अनुकूलित किया गया है, लेकिन 20 ए की निरंतर डिस्चार्ज करंट प्रदान कर सकता है। सिलिकॉन आधारित एनोड 4000 एमएएच से अधिक तक पहुंच जाएगा,लेकिन लोड क्षमता कम हो जाती है और चक्र जीवन छोटा हो जाता हैग्रेफाइट में जो सिलिकॉन जोड़ा जाता है उसमें एक दोष होता है, अर्थात चार्ज और डिस्चार्ज के साथ एनोड का विस्तार और संकुचन होता है, जिससे बैटरी की बड़ी यांत्रिक तनाव संरचना अस्थिर हो जाती है।एनएमसी का रहस्य निकेल और मैंगनीज के संयोजन में है. जैसे कि यह टेबल सॉल्ट है, जहां मुख्य सामग्री सोडियम और क्लोराइड स्वयं विषाक्त हैं, लेकिन वे स्वाद नमक और खाद्य संरक्षण एजेंटों के रूप में मिश्रित हैं।निकेल अपनी उच्च विशिष्ट ऊर्जा के लिए जाना जाता है, लेकिन कम स्थिरता है; मैंगनीज स्पिनल संरचना कम आंतरिक प्रतिरोध लेकिन कम विशिष्ट ऊर्जा प्राप्त करती है। दो सक्रिय धातुओं के पूरक फायदे हैं।एनएमसी विद्युत औजारों के लिए पसंदीदा बैटरी हैकैथोडिक संयोजन आमतौर पर एक तिहाई निकेल, एक तिहाई मैंगनीज और एक तिहाई कोबाल्ट होते हैं, जिन्हें 1-1-1 के रूप में भी जाना जाता है।यह एक अनूठा मिश्रण प्रदान करता है जो कम कोबाल्ट सामग्री के कारण कच्चे माल की लागत को भी कम करता हैएक अन्य सफल संयोजन एनसीएम था, जिसमें निकेल के 5 भाग, कोबाल्ट के 3 भाग और मैंगनीज के 2 भाग (5 ¢ 3-2) शामिल थे।कैथोड सामग्री की विभिन्न मात्राओं के अन्य संयोजनों का भी उपयोग किया जा सकता हैकोबाल्ट की उच्च लागत के कारण, बैटरी निर्माताओं ने कोबाल्ट से निकल कैथोड पर स्विच किया। निकल आधारित प्रणालियों में उच्च ऊर्जा घनत्व, कम लागत, उच्च ऊर्जा दक्षता और उच्च ऊर्जा दक्षता है।और कोबाल्ट आधारित बैटरी की तुलना में अधिक चक्र जीवन, लेकिन वे थोड़ा कम वोल्टेज है।

लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO 4) 1996 में, टेक्सास विश्वविद्यालय ने पाया कि लिथियम बैटरी के लिए कैथोड सामग्री के रूप में फॉस्फेट का उपयोग किया जा सकता है।लिथियम फॉस्फेट में अच्छे इलेक्ट्रोकेमिकल गुण और कम प्रतिरोध होता हैयह नैनोस्केल फॉस्फेट कैथोड सामग्री का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। मुख्य फायदे उच्च रेटेड करंट और लंबे चक्र जीवन हैं; अच्छी थर्मल स्थिरता, बढ़ी हुई सुरक्षा और दुरुपयोग सहनशीलता।यदि लंबे समय तक उच्च वोल्टेज पर रखा जाता हैअन्य लिथियम-आयन प्रणालियों की तुलना में लिथियम फॉस्फेट सभी चार्जिंग स्थितियों के लिए अधिक सहनशील है और कम तनाव है।2V बैटरी का नाममात्र वोल्टेज कोबाल्ट से युक्त लिथियम आयन बैटरी की तुलना में विशिष्ट ऊर्जा को कम करता हैअधिकांश बैटरियों के लिए, कम तापमान प्रदर्शन को कम करते हैं, भंडारण तापमान में वृद्धि से सेवा जीवन कम हो जाता है, और लिथियम फॉस्फेट कोई अपवाद नहीं है।अन्य लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में लिथियम फॉस्फेट का स्व-निर्वहन अधिक होता है, जो उम्र बढ़ने और आगे संतुलन की समस्याओं का कारण बन सकता है, जो उच्च गुणवत्ता वाली बैटरी या उन्नत बैटरी प्रबंधन प्रणालियों का उपयोग करके की जा सकती है,लेकिन दोनों विधियों बैटरी पैक की लागत में वृद्धि. बैटरी जीवन विनिर्माण प्रक्रिया में अशुद्धियों के लिए बहुत संवेदनशील है, और पानी के डोपिंग का सामना नहीं कर सकता है.कुछ बैटरी का न्यूनतम जीवनकाल केवल 50 चक्रों का होता है. चित्र 9 लिथियम फॉस्फेट के गुणों का सारांश देता है। लीड-एसिड स्टार्टर बैटरी के बजाय लिथियम फॉस्फेट का उपयोग आमतौर पर किया जाता है। चार श्रृंखला कोशिकाओं ने 12.80V का उत्पादन किया,श्रृंखला में छह 2V सीसा-एसिड कोशिकाओं के समान वोल्टेज के साथवाहन 14.40V (2.40V/ बैटरी) में सीसा एसिड को चार्ज करता है और चार्ज किए हुए तैरता रहता है।फ्लोटिंग चार्ज का उद्देश्य पूर्ण चार्जिंग स्तर को बनाए रखना और सीसा-एसिड बैटरी के सल्फेशन को रोकना है.

लिथियम निकेल-कोबाल्ट अल्युमिनेट (LiNiCoAlO2 या NCA) लिथियम निकेल-कोबाल्ट अल्युमिनेट बैटरी या NCA का उपयोग 1999 से किया जा रहा है।काफी अच्छी विशिष्ट शक्ति और लंबी सेवा जीवन NMC के समान हैकम चापलूसी सुरक्षा और लागत है।

लिथियम टाइटेनैट (Li4Ti5O12) लिथियम टाइटेनैट एनोड बैटरी 1980 के दशक से ज्ञात है। लिथियम टाइटेनैट एक विशिष्ट लिथियम आयन बैटरी के एनोड में ग्राफाइट की जगह लेता है,और सामग्री एक स्पिनल संरचना बनाता हैकैथोड लिथियम मैंगनेट या एनएमसी हो सकता है। लिथियम टाइटनेट में 2.40 वी का नाममात्र बैटरी वोल्टेज होता है, जिसे जल्दी से चार्ज किया जा सकता है, और 10C का उच्च डिस्चार्ज करंट प्रदान करता है।कहा जाता है कि चक्रों की संख्या पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में अधिक है. लिथियम टाइटेनैट सुरक्षित है और इसमें उत्कृष्ट निम्न तापमान डिस्चार्ज गुण हैं, जो 30°C (-22°F) पर क्षमता का 80% प्राप्त करता है। एलटीओ (आमतौर पर Li4Ti5O12) में शून्य तनाव होता है,कोई एसईआई झिल्ली गठन और कोई लिथियम इलेक्ट्रोप्लाटिंग घटना नहीं तेज चार्जिंग और कम तापमान चार्जिंग के दौरान, इसलिए इसमें पारंपरिक कोबाल्ट मिश्रित लिथियम आयन और ग्रेफाइट एनोड की तुलना में बेहतर चार्ज-डिस्चार्ज प्रदर्शन है। उच्च तापमान पर थर्मल स्थिरता अन्य लिथियम आयन प्रणालियों की तुलना में भी बेहतर है;तथापि, बैटरी महंगी होती है। विशिष्ट ऊर्जा कम होती है, केवल 65Wh/kg, NiCd के तुलनीय होती है। लिथियम टाइटनेट को 2.80V और 1.80V पर चार्ज किया जाता है।चित्र 13 में लिथियम टाइटेनैट बैटरी के गुण दिखाए गए हैं. विशिष्ट उपयोग विद्युत ड्राइवट्रेन, यूपीएस और सौर स्ट्रीट लाइट हैं। एनसीए उच्चतम विशिष्ट ऊर्जा का आनंद लेता है; हालांकि,लिथियम मैंगनेट और लिथियम आयरन फॉस्फेट बेहतर विशिष्ट शक्ति और थर्मल स्थिरता प्रदान करते हैंलिथियम टाइटेनैट में सबसे अच्छा सेवा जीवन होता है।