WikiDer > Литий-никель-кобальт-оксиды алюминия - Википедия

Lithium nickel cobalt aluminium oxides - Wikipedia

В оксиды лития, никеля, кобальта, алюминия (NCA) представляют собой группу веществ, включающих оксиды металлов. Некоторые из них важны из-за их применения в литий-ионные батареи. NCA используются в качестве активного материала на положительном полюсе (который является катод когда аккумулятор разряжен). NCA - это смешанные оксиды, содержащие катионы химические элементы литий, никель, кобальт и алюминий. Наиболее важные представители имеют общую формулу LiNiИксCoуAlzО2 с Икс + у + z = 1. В случае NCA, состоящего из батарей, имеющихся в настоящее время на рынке, которые также используются в электромобили и электрические приборы, Икс ≈ 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, - это LiNi.0,84Co0,12Al0,04О2.

Аккумуляторы NCA: производитель и использование

Самый важный производитель батарей NCA - это Panasonic или партнером Panasonic по сотрудничеству Тесла,[1] поскольку Tesla использует NCA в качестве активного материала в тяговых батареях своих моделей автомобилей.[2][3] В Tesla Model 3[4] и Tesla Model X, LiNi0,84Co0,12Al0,04О2 используется.[5] За некоторыми исключениями, современные электромобили с 2019 года используют либо NCA, либо альтернативу. оксиды лития, никеля, марганца, кобальта (NMC).[4] Помимо использования в электромобилях, NCA также используется в аккумуляторах для электронных устройств, в основном в Panasonic, Sony и Samsung.[6] Аккумуляторные пылесосы также оснащены батареями NCA.[7]

Производитель NCA

Основными производителями NCA и их долями на рынке в 2015 году были Sumitomo Metal Mining с 58%, Toda Kogyo (BASF) с 16%, Nihon Kagaku Sangyo с 13% и Ecopro с 5%.[6] Sumitomo поставляет Tesla и Panasonic и в 2014 году смогла производить 850 тонн NCA в месяц.[8] В 2016 году Sumitomo увеличила ежемесячную производственную мощность до 2550 тонн,[9] а в 2018 году до 4550 тонн.[8] В Китае в Уезд Тонгрен в Провинция Цинхай, с 2019 года строится завод, который изначально будет производить 1500 тонн НКА в месяц.[10]

Свойства NCA

Полезная емкость заряда NCA составляет от 180 до 200 мАч / г.[11] Это намного ниже теоретических значений; для LiNi0,8Co0,15Al0,05О2 это 279 мАч / г.[1] Однако емкость NCA значительно выше, чем у альтернативных материалов, таких как оксид лития-кобальта LiCoO2 с 148 мАч / г, фосфат лития-железа LiFePO4 с 165 мАч / г и NMC 333 LiNi0,33Mn0,33Co0,33О2 с 170 мАч / г.[1] Как LiCoO2 а NMC, NCA относится к катодным материалам со слоистой структурой.[11] Из-за высокого напряжения NCA позволяет использовать батареи с высокой плотностью энергии. Еще одно преимущество NCA - отличная возможность быстрой зарядки.[11] Недостатки - высокая стоимость и ограниченные ресурсы кобальта и никеля.[11]

Два материала NCA и NMC имеют родственные структуры, довольно схожее электрохимическое поведение и демонстрируют схожие характеристики, в частности, относительно высокие плотности энергии и относительно высокие характеристики. Подсчитано, что батарея NCA модели 3 содержит от 4,5 до 9,5 кг кобальта и 11,6 кг лития.[12]

Кристаллструктура никеля (IV) -оксид

Литий-никелевый оксид LiNiO2, который тесно связан с NCA, или оксид никеля NiO2 сам по себе, пока не может быть использован в качестве материала для батарей, потому что они механически нестабильны, демонстрируют быструю потерю емкости и имеют проблемы с безопасностью.[4]

Богатые никелем NCA: преимущества и ограничения

NCAs LiNiИксCoуAlzО2 с x ≥ 0,8 называются никелевыми;[13] эти соединения являются наиболее важными вариантами класса веществ. Варианты с высоким содержанием никеля также имеют низкое содержание кобальта и, следовательно, имеют преимущество в стоимости, поскольку кобальт относительно дорог. Кроме того, по мере увеличения содержания никеля увеличивается напряжение и, следовательно, энергия, которая может храниться в батарее. Однако по мере увеличения содержания никеля возрастает риск теплового пробоя и преждевременного старения батареи. Когда обычная батарея NCA нагревается до 180 ° C, она нагревается. термически убежать.[14] Если аккумулятор ранее был перезаряжен, тепловой пробой может произойти уже при 65 ° C.[14] Ионы алюминия в NCA повышают стабильность и безопасность, но они снижают емкость, поскольку сами не участвуют в окислении и восстановлении.

Модификации материала

Чтобы сделать NCA более стойким, в частности для батарей, которые должны работать при температурах выше 50 ° C, активный материал NCA обычно покрывается покрытием. Покрытия, продемонстрированные в исследованиях, могут содержать фториды, такие как фторид алюминия AlF3, кристаллические оксиды (например, CoO2, TiO2, NMC) или стеклообразных оксидов (диоксид кремния SiO2) или фосфаты, такие как FePO4.[1]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Агус Пурванто, Корнелиус Сатрия Юда, У Убайдилла, Хендри Видияндари, Такаши Оги (2018-09-26), «Катодный материал NCA: методы синтеза и усилия по повышению производительности», Материалы Research Express, Издательство IOP, 5 (12), с. 122001, г. Дои:10.1088 / 2053-1591 / aae167, ISSN 2053-1591CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  2. ^ Джеймс Эйр (2017-12-02). "Батареи Tesla 101 - производственные мощности, использование, химия и планы на будущее". CleanTechnica.
  3. ^ Фред Ламберт (2017-05-04). «Исследователь аккумуляторов Tesla представляет новую химию для увеличения жизненного цикла при высоком напряжении». Электрек. Электрек, сеть 9to5.
  4. ^ а б c Маттео Бьянкини, Мария Рока-Аятс, Паскаль Хартманн, Торстен Брезесински, Юрген Янек (2019-07-29), «Туда и обратно - путешествие LiNiO2 как активный катодный материал », Angewandte Chemie International Edition, Вайли-ВЧ, 58 (31), стр. 10434–10458, Дои:10.1002 / anie.201812472CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Кён Вон Нам, Нам-Юнг Парк, Кан-Джун Пак, Джихуэй Ян, Джун Лю (13 декабря 2019 г.), "Исчезновение емкости катодов NCA с высоким содержанием никеля: влияние степени микротрещин", Письма ACS Energy, 4 (12), стр. 2995–3001, Дои:10.1021 / acsenergylett.9b02302, ISSN 2380-8195CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  6. ^ а б Кристоф Пилло (30.01.2017). «Спрос и предложение на сырье для литий-ионных аккумуляторов в 2016–2025 гг.» (PDF). avicenne.com. Авиценна.
  7. ^ "Сравнительная таблица беспроводных пылесосов Dyson: сравнение лучшего с лучшим - Powertoollab". Лучшие электроинструменты на продажу, обзоры экспертов и руководства. 2018-08-22.
  8. ^ а б Юка Обаяси, Рицуко Симидзу (13.09.2018). «Японская Sumitomo сосредоточится на поставках аккумуляторных материалов для Panasonic и Toyota». Рейтер.
  9. ^ Джеймс Эйр (26.02.2016). «Sumitomo Metal Mining увеличивает производство NCA (используется в литий-ионных катодах) на 38%, в ожидании запуска Tesla Model 3». evobsession.com.
  10. ^ Фрэнк Лю (13.11.2019). «Строительство проекта катодного материала NCA мощностью 50 000 тонн началось в Цинхае». Новости SMM - news.metal.com> новости> новости индустрии. Shanghai Metals Market SMM, SMM Information & Technology Co.
  11. ^ а б c d Марка М. Дофф (2013), Ральф Дж. Бродд (редактор), «Катоды для батарей: избранные статьи из Энциклопедии науки и технологий в области устойчивого развития», Аккумуляторы для устойчивого развития, New York, NY: Springer, стр. 5–49, Дои:10.1007/978-1-4614-5791-6_2, ISBN 978-1-4614-5790-9
  12. ^ Эван Леон (26.10.2018). «От шахты к рынку: энергетика, металлы и индустриализация электромобилей» (PDF). energy.umich.edu. Институт энергетики Мичиганского университета.
  13. ^ Шэн С. Чжан (январь 2020 г.), «Проблемы и их происхождение, связанные с материалами катодных слоистых оксидов с высоким содержанием никеля», Материалы для хранения энергии, 24, стр. 247–254, Дои:10.1016 / j.ensm.2019.08.013
  14. ^ а б Сюань Лю, Кан Ли, Сян Ли (2018), «Электрохимические характеристики и применение некоторых популярных литий-ионных батарей для электромобилей - обзор» (PDF), Достижения в системах зеленой энергии и умных энергосистемах, Сингапур: Springer Singapore, 925, стр. 201–213, Дои:10.1007/978-981-13-2381-2_19, ISBN 978-981-1323-80-5, получено 2020-02-15CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)