Chúng ta thường nói về pin lithium bậc ba hoặc pin lithium-sắt, được đặt tên theo vật liệu hoạt động tích cực. Sáu loại pin lithium phổ biến bao gồm: lithium coban oxide, lithium manganate, lithium niken coban manganate (NCM), lithium niken coban aluminat (NCA), lithium iron phosphate và lithium titanate.

1. Lithi coban oxit (LiCoO2)

Năng lượng cụ thể cao của nó làm cho lithium coban oxit trở thành một lựa chọn phổ biến cho điện thoại di động, máy tính xách tay và máy ảnh kỹ thuật số. Nhược điểm của lithium coban oxit là tuổi thọ tương đối ngắn, độ ổn định nhiệt thấp và khả năng chịu tải hạn chế (công suất cụ thể). Giống như các loại pin lithium-ion lai coban khác, lithium coban oxit sử dụng cực dương bằng than chì và vòng đời của nó chủ yếu bị giới hạn bởi giao diện điện phân rắn (SEI), chủ yếu được biểu hiện ở sự dày dần của màng SEI và lớp mạ điện cực âm. trong quá trình sạc nhanh hoặc sạc ở nhiệt độ thấp. Vấn đề liti. Hệ thống vật liệu mới hơn bổ sung niken, mangan và / hoặc nhôm để cải thiện tuổi thọ, khả năng chịu tải và giảm chi phí.

Lithium coban oxit vượt trội về năng lượng cụ thể cao, nhưng chỉ cung cấp hiệu suất tầm thường về đặc tính nguồn, độ an toàn và tuổi thọ chu kỳ.

2. Lithium manganate (LiMn2O4)

Pin lithium manganate Spinel được xuất bản lần đầu trên tạp chí Materials Research vào năm 1983. Năm 1996, Moli Energy đã thương mại hóa pin lithium-ion với lithium manganate làm vật liệu catốt. Kiến trúc này tạo thành một cấu trúc Spinel ba chiều giúp cải thiện dòng ion qua các điện cực, do đó làm giảm điện trở bên trong và cải thiện khả năng mang dòng điện. Một ưu điểm khác của Spinel là độ ổn định nhiệt cao và độ an toàn được cải thiện, nhưng chu kỳ và tuổi thọ lịch hạn chế.

Điện trở bên trong pin thấp cho phép sạc nhanh và xả dòng điện cao. Loại 18650 cell, pin lithium manganate có thể được xả ở dòng điện 20-30A với sự tích tụ nhiệt vừa phải và nhiệt độ của pin không được vượt quá 80 ° C. Lithium manganate được sử dụng trong các công cụ điện, thiết bị y tế, xe hybrid và xe điện thuần túy. Dung lượng của lithium manganate thấp hơn khoảng một phần ba so với lithium coban. Tính linh hoạt trong thiết kế cho phép các kỹ sư lựa chọn để tối đa hóa tuổi thọ pin, hoặc tăng công suất hoặc dòng tải tối đa.

Ngày nay, pin lithium manganate tinh khiết không còn phổ biến; chúng chỉ được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt.

Hầu hết các manganat liti được trộn với oxit liti niken mangan coban (NMC) để tăng năng lượng cụ thể và kéo dài tuổi thọ. Sự kết hợp này mang lại hiệu suất tốt nhất từ ​​mỗi hệ thống và hầu hết các xe điện như Nissan Leaf, Chevrolet Volt và BMW i3 đều lựa chọn LMO (NMC). Phần LMO của pin có thể đạt khoảng 30% và có thể cung cấp dòng điện cao hơn trong quá trình tăng tốc; phần NMC cung cấp một phạm vi dài.

Nghiên cứu về pin Li-ion có xu hướng kết hợp lithium manganate với coban, niken, mangan và / hoặc nhôm làm vật liệu cực âm hoạt động. Trong một số kiến ​​trúc, một lượng nhỏ silicon được thêm vào điện cực âm. Điều này giúp tăng 25% công suất; tuy nhiên, silicon nở ra và co lại với quá trình tích điện và phóng điện, gây ra ứng suất cơ học, và việc tăng công suất thường liên quan chặt chẽ đến vòng đời ngắn.

3. Lithium niken coban manganate (NMC)

Một trong những hệ thống Li-ion thành công nhất là sự kết hợp cực âm của niken mangan coban (NMC). Tương tự như lithium manganate, hệ thống này có thể được điều chỉnh để sử dụng làm năng lượng hoặc pin điện. Ví dụ, một NMC trong pin 18650 trong điều kiện tải vừa phải có dung lượng khoảng 2.800mAh và có thể cung cấp dòng phóng từ 4A đến 5A; cùng loại NMC, khi được tối ưu hóa cho một nguồn cụ thể, chỉ có dung lượng 2.000mAh, nhưng có thể cung cấp dòng xả liên tục 20A. Điện cực âm dựa trên silicon sẽ đạt hơn 4000mAh, nhưng khả năng chịu tải bị giảm và tuổi thọ chu kỳ bị rút ngắn. Silicon được thêm vào graphite có khuyết điểm là điện cực âm giãn ra và co lại khi sạc và xả, làm cho pin bị căng thẳng về mặt cơ học và không ổn định về mặt cấu trúc.

Bí mật của NMC là sự kết hợp của niken và mangan. Tương tự như điều này là muối ăn, trong đó các thành phần chính natri và clorua tự độc, nhưng chúng được trộn với nhau như bột nêm và chất bảo quản thực phẩm. Niken được biết đến với năng lượng riêng cao nhưng tính ổn định kém; cấu trúc spinel mangan có thể đạt được nội trở thấp nhưng năng lượng riêng thấp. Ưu điểm của hai kim loại hoạt động là bổ sung cho nhau.

NMC là loại pin được lựa chọn cho các công cụ điện, xe đạp điện và các hệ thống truyền động điện khác. Sự kết hợp điện cực dương thường là một phần ba niken, một phần ba mangan và một phần ba coban, còn được gọi là 1-1-1. Điều này cung cấp một sự pha trộn độc đáo cũng làm giảm chi phí nguyên liệu do hàm lượng coban giảm. Một sự kết hợp thành công khác là NCM, chứa 5 phần niken, 3 phần coban.