stringtranslate.com

Оксиды лития, никеля, кобальта, алюминия

Оксиды лития , никеля, кобальта, алюминия ( сокращенно Li-NCA, LNCA или NCA) представляют собой группу смешанных оксидов металлов . Некоторые из них важны из-за их применения в литий-ионных аккумуляторах . NCA используются в качестве активного материала в положительном электроде (который является катодом , когда аккумулятор разряжен). NCA состоят из катионов химических элементов лития , никеля , кобальта и алюминия . Соединения этого класса имеют общую формулу LiNi x Co y Al z O 2 , где x  +  y  +  z  = 1. В случае NCA, включающего батареи, в настоящее время доступные на рынке, которые также используются в электромобилях и электроприборах , x  ≈ 0,8, а напряжение этих батарей составляет от 3,6 В до 4,0 В при номинальном напряжении 3,6 В или 3,7 В. Версия оксидов, которая в настоящее время используется в 2019 году, — LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O 2 .

Свойства NCA

Полезная емкость хранения заряда NCA составляет около 180-200 мАч/г. [1] Это значительно ниже теоретических значений; для LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 это 279 мАч/г. [2] Однако емкость NCA значительно выше, чем у альтернативных материалов, таких как оксид лития-кобальта LiCoO 2 с 148 мАч/г, фосфат лития-железа LiFePO 4 с 165 мАч/г и NMC 333 LiNi 0,33 Mn 0,33 Co 0,33 O 2 с 170 мАч/г. [2] Как и LiCoO 2 и NMC, NCA относится к катодным материалам со слоистой структурой. [1] Благодаря высокому напряжению NCA позволяет создавать батареи с высокой плотностью энергии. Еще одним преимуществом NCA является его превосходная способность к быстрой зарядке. [1] Недостатками являются высокая стоимость и ограниченность ресурсов кобальта и никеля. [1]

Два материала NCA и NMC имеют родственные структуры, довольно похожее электрохимическое поведение и показывают схожие характеристики, в частности, относительно высокую плотность энергии и относительно высокую производительность. Примечательно, что Ni циклируется во время работы батареи между степенями окисления +2 и +3,5, Co- между +2 и +3, а Mn и Al остаются электрохимически неактивными. [3]

По оценкам, аккумуляторная батарея NCA Tesla Model 3 содержит от 4,5 до 9,5 кг кобальта и 11,6 кг лития. [4]

Кристаллическая структура оксида никеля(IV)

Оксид лития и никеля LiNiO 2 , который тесно связан с NCA, или собственно оксидом никеля (IV) NiO 2 , пока не может использоваться в качестве материала для аккумуляторов, поскольку он механически нестабилен, быстро теряет емкость и имеет проблемы с безопасностью. [5]

НКА с высоким содержанием никеля: преимущества и ограничения

NCA LiNi x Co y Al z O 2 с x ≥ 0,8 называются богатыми никелем; [6] эти соединения являются наиболее важными вариантами класса веществ. Богатые никелем варианты также содержат мало кобальта и, следовательно, имеют преимущество в стоимости, поскольку кобальт в несколько раз дороже никеля . Кроме того, с увеличением содержания никеля увеличивается напряжение и заряд мАч/г, который может храниться в батарее. Это связано с тем, что Co циклически переключается в батарее между степенями окисления +3 и +3,5 (т. е. с 0,5 электрона /атом кобальта), в то время как никель может находиться между +3 и +4 (т. е. 1 электрон /атом никеля). Таким образом, увеличение молярной доли никеля в позоде увеличивает как число мАч/г, так и напряжение элемента. Однако с увеличением содержания никеля также увеличивается риск теплового пробоя и преждевременного старения батареи. Когда типичная батарея NCA нагревается до 180 °C, она выходит из строя из-за перегрева . [7] Если аккумулятор ранее был перезаряжен, тепловой разгон может произойти даже при 65 °C. [7] Ионы алюминия в NCA повышают стабильность и безопасность, но они снижают емкость, поскольку сами не участвуют в процессах окисления и восстановления.

Модификации материала

Чтобы сделать NCA более устойчивыми, в частности, для батарей, которые должны работать при температурах выше 50 °C, активный материал NCA обычно покрывается. Покрытия, продемонстрированные в исследованиях, могут включать фториды, такие как фторид алюминия AlF 3 , кристаллические оксиды (например, CoO 2 , TiO 2 , NMC) или стекловидные оксиды ( диоксид кремния SiO 2 ) или фосфаты, такие как FePO 4 . [2]

Аккумуляторы NCA: производители и использование

Основными производителями NCA и их рыночными долями в 2015 году были Sumitomo Metal Mining с 58%, Toda Kogyo (BASF) с 16%, Nihon Kagaku Sangyo с 13% и Ecopro с 5%. [8] Sumitomo поставляет Tesla и Panasonic и смогла производить 850 тонн NCA в месяц в 2014 году. [9] В 2016 году Sumitomo увеличила свою ежемесячную производственную мощность до 2550 тонн, [10] а в 2018 году до 4550 тонн. [9] В Китае, в уезде Тунжэнь провинции Цинхай , с 2019 года строится завод, который изначально будет производить 1500 тонн NCA в месяц. [11]

По состоянию на 2018 год самым важным производителем аккумуляторов NCA, как сообщается, была компания Panasonic или партнер Panasonic по сотрудничеству Tesla [2] , поскольку Tesla использует NCA в качестве активного материала в тяговых аккумуляторах своих моделей автомобилей. [12] [13] В Tesla Model 3 [5] и Tesla Model X используется LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O 2. [14] За некоторыми исключениями, в современных электромобилях по состоянию на 2019 год используются либо NCA, либо оксиды лития, никеля, марганца и кобальта (NMC). [5] Помимо использования в электромобилях, NCA также используется в аккумуляторах для электронных устройств, в основном Panasonic , Sony и Samsung . [8] Некоторые беспроводные пылесосы также оснащены аккумуляторами NCA. [15] [ нужен лучший источник ]

Ссылки

  1. ^ abcd Marca M. Doeff (2013), Ralph J. Brodd (ред.), «Катоды аккумуляторных батарей: избранные статьи из энциклопедии науки и технологий устойчивого развития», Batteries for Sustainability , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, стр. 5–49, doi : 10.1007/978-1-4614-5791-6_2, ISBN 978-1-4614-5790-9
  2. ^ abcd Агус Пурванто; Корнелиус Сатрия Юдха; У Убайдиллах; Хендри Видияндари; Такаши Оги (2018-09-26), "Катодный материал NCA: методы синтеза и усилия по повышению производительности", Materials Research Express , т. 5, № 12, IOP Publishing, стр. 122001, Bibcode : 2018MRE.....5l2001P, doi : 10.1088/2053-1591/aae167, ISSN  2053-1591, S2CID  106388037
  3. ^ Размышления о химии катода литий-ионного аккумулятора. 2020. Nature Communications. 11/1, 9. A. Manthiram. doi: 10.1038/s41467-020-15355-0.
  4. ^ Эван Леон (2018-10-26). "От шахты до рынка: энергетические металлы и индустриализация электромобилей" (PDF) . Energy.umich.edu . Институт энергетики Мичиганского университета. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-06-16.
  5. ^ abc Маттео Бьянкини; Мария Рока-Аятс; Паскаль Хартманн; Торстен Бжезински; Юрген Янек (2019-07-29), «Туда и обратно — путешествие LiNiO2 как активного материала катода» , Angewandte Chemie International Edition , т. 58, № 31, Wiley-VCH, стр. 10434–10458, doi :10.1002/anie.201812472, PMID  30537189, S2CID  54479125 , получено 2021-11-26
  6. ^ Шэн С. Чжан (январь 2020 г.), «Проблемы и их происхождение катодных материалов из слоистого оксида, богатого никелем» , Energy Storage Materials , т. 24, стр. 247–254 , получено 26 ноября 2021 г.
  7. ^ ab Xuan Liu; Kang Li; Xiang Li (2018). «Электрохимические характеристики и применение нескольких популярных литий-ионных аккумуляторов для электромобилей — обзор». В K. Li; J. Zhang; M. Chen; Z. Yang; Q. Niu (ред.). Достижения в области зеленых энергетических систем и интеллектуальных сетей . ICSEE 2018, IMIOT 2018. Коммуникации в области компьютерных и информационных наук. Том 925. Springer, Сингапур. стр. 201–213. doi :10.1007/978-981-13-2381-2_19. ISBN 9789811323805. Получено 2021-11-26 .См. также этот альтернативный источник академической статьи.
  8. ^ ab Christophe Pillot (2017-01-30). "Сырье для литий-ионных аккумуляторов. Спрос и предложение в 2016–2025 годах" (PDF) . avicenne.com . Avicenne.
  9. ^ аб Юка Обаяши, Рицуко Симидзу (13 сентября 2018 г.). «Японская Sumitomo сосредоточится на поставках материалов для аккумуляторов Panasonic и Toyota». Рейтер .
  10. ^ Джеймс Эйр (26.02.2016). «Sumitomo Metal Mining увеличивает производство NCA (используется в литий-ионных катодах) на 38 % в преддверии запуска Tesla Model 3». evobsession.com .[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  11. ^ Фрэнк Лю (2019-11-13). «Строительство проекта по производству катодного материала NCA мощностью 50 000 тонн началось в Цинхае». Новости SMM – News.metal.com > Новости > Новости отрасли . Шанхайский рынок металлов SMM, SMM Information & Technology Co.
  12. ^ Джеймс Эйр (2017-12-02). «Tesla Batteries 101 — Производственные мощности, применение, химия и планы на будущее». CleanTechnica .
  13. ^ Фред Ламберт (2017-05-04). «Исследователь аккумуляторов Tesla представляет новую химию для увеличения жизненного цикла при высоком напряжении». Electrek . Electrek, 9to5 network.
  14. ^ Gyeong Won Nam; Nam-Yung Park; Kang-Joon Park; Jihui Yang; Jun Liu (2019-12-13), «Снижение емкости катодов NCA с высоким содержанием никеля: влияние степени микротрещин» , ACS Energy Letters , т. 4, № 12, стр. 2995–3001, doi : 10.1021/acsenergylett.9b02302, ISSN  2380-8195, S2CID  210234684 , получено 26.11.2021
  15. ^ "Сравнительная таблица беспроводных пылесосов Dyson: сравнение лучших с лучшими - Powertoollab". Лучшие электроинструменты для продажи, экспертные обзоры и руководства . 2018-08-22.[ нужен лучший источник ]