Оксиды лития, никеля, кобальта, алюминия
 | Данная научная статья нуждается в дополнительных ссылках на вторичные или третичные источники . ( Ноябрь 2021 г. ) |
Оксиды лития , никеля, кобальта и алюминия ( сокращенно Li-NCA, LNCA или NCA) представляют собой группу смешанных оксидов металлов . Некоторые из них важны из-за их применения в литий-ионных батареях . NCA используются в качестве активного материала в положительном электроде (который является катодом , когда батарея разряжена). НКА состоят из катионов химических элементов лития , никеля , кобальта и алюминия . Соединения этого класса имеют общую формулу LiNi x Co y Al z O 2 с x + y + z = 1. В случае NCA, включающего в себя батареи, доступные в настоящее время 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. Вариант оксидов, используемый в настоящее время в 2019 году, — LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O 2 .
Свойства НКА
[ редактировать ]Полезная емкость хранения заряда NCA составляет от 180 до 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, литий-железофосфат 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] Подобно LiCoO 2 и НМК, НКА относится к катодным материалам со слоистой структурой. [1] Благодаря высокому напряжению NCA позволяет использовать батареи с высокой плотностью энергии. Еще одним преимуществом NCA является отличная возможность быстрой зарядки. [1] Недостатками являются высокая стоимость и ограниченность ресурсов кобальта и никеля. [1]
Два материала NCA и NMC имеют родственные структуры, очень похожее электрохимическое поведение и демонстрируют схожие характеристики, в частности, относительно высокую плотность энергии и относительно высокие характеристики. Примечательно, что Ni во время работы батареи циклически переключается между степенями окисления +2 и +3,5, Co- между +2 и +3, а Mn и Al остаются электрохимически неактивными. [3]
Подсчитано, что аккумуляторная батарея NCA Tesla Model 3 содержит от 4,5 до 9,5 кг кобальта и 11,6 кг лития. [4]
Оксид лития-никеля LiNiO 2 , который тесно связан с NCA, или сам оксид никеля NiO 2 пока не может использоваться в качестве материала для аккумуляторов, поскольку он механически нестабильен, быстро теряет емкость и имеет проблемы с безопасностью. [5]
Никелевая НКА: преимущества и ограничения
[ редактировать ]НКА LiNi x Co y Al z O 2 с x ≥ 0,8 называются никелевыми; [6] эти соединения являются наиболее важными вариантами класса веществ. Варианты с высоким содержанием никеля также содержат мало кобальта и, следовательно, имеют ценовое преимущество, поскольку кобальт в несколько раз дороже никеля . Кроме того, по мере увеличения содержания никеля растет напряжение и заряд (мАч/г), который может храниться в батарее. Это связано с тем, что Co циклически перемещается в батарее между степенями окисления от +3 до +3,5 (т.е. с соотношением электронов на 0,5 атома кобальта), тогда как никель может находиться в диапазоне от +3 до +4 (т.е. 1 электрон на атом никеля). Таким образом, увеличение мольной доли никеля в позоде увеличивает как число мАч/г, так и напряжение ячейки. Однако с увеличением содержания никеля возрастает и риск термического пробоя и преждевременного старения аккумулятора. Когда типичная батарея NCA нагревается до 180 °C, она теряет тепло . [7] Если аккумулятор ранее был перезаряжен, терморазрыв может произойти даже при температуре 65 °C. [7] Ионы алюминия в NCA повышают стабильность и безопасность, но снижают емкость, поскольку сами не участвуют в окислении и восстановлении.
Модификации материала
[ редактировать ]Чтобы сделать NCA более устойчивым, особенно для батарей, которые должны работать при температуре выше 50 °C, на активный материал NCA обычно наносят покрытие. Покрытия, продемонстрированные в исследованиях, могут содержать фториды, такие как фторид алюминия AlF 3 , кристаллические оксиды (например, CoO 2 , TiO 2 , NMC) или стеклообразные оксиды ( диоксид кремния SiO 2 ) или фосфаты, такие как FePO 4 . [2]
Аккумуляторы NCA: производители и применение
[ редактировать ]Основными производителями NCA и их долями рынка 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 в 2014 году смогла производить 850 тонн NCA в месяц. [9] В 2016 году Sumitomo увеличила ежемесячную производственную мощность до 2550 тонн. [10] а в 2018 году – 4550 тонн. [9] В Китае в уезде Тунжэнь провинции Цинхай с 2019 года строится завод, который первоначально будет производить 1500 тонн НКА в месяц. [11]
По сообщениям, по состоянию на 2018 год самым важным производителем аккумуляторов NCA была компания Panasonic или партнер Panasonic по сотрудничеству Tesla . [2] поскольку Tesla использует NCA в качестве активного материала в тяговых батареях своих моделей автомобилей. [12] [13] В Тесле Модель 3 [5] и Tesla Model X, LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O 2 . используется [14] За некоторыми исключениями, в нынешних электромобилях по состоянию на 2019 год используются либо NCA, либо, альтернативно, оксиды лития, никеля, марганца, кобальта (NMC). [5] Помимо использования в электромобилях, NCA также используется в батареях для электронных устройств, в основном производства Panasonic , Sony и Samsung . [8] Некоторые беспроводные пылесосы также оснащены батареями NCA. [15] [ нужен лучший источник ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Марка М. Доефф (2013), Ральф Дж. Бродд (редактор), «Катоды для батарей: избранные записи из Энциклопедии науки и технологий в области устойчивого развития», «Батареи для устойчивого развития » , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, стр. 5–49, номер домена : 10.1007/978-1-4614-5791-6_2 , ISBN. 978-1-4614-5790-9
- ^ Перейти обратно: а б с д Агус Пурванто; Корнелиус Сатрия Юдха; У Убайдилла; Хендри Видияндари; Такаси Оги (26 сентября 2018 г.), «Катодный материал NCA: методы синтеза и усилия по повышению характеристик», Materials Research Express , vol. 5, нет. 12, Издательство ИОП, с. 122001, Bibcode : 2018MRE.....5l2001P , doi : 10.1088/2053-1591/aae167 , ISSN 2053-1591 , S2CID 106388037
- ^ Размышления о химии катода литий-ионной батареи. 2020. Природные коммуникации. 11/1, 9. А. Мантирам. дои: 10.1038/s41467-020-15355-0.
- ^ Эван Леон (26 октября 2018 г.). «От шахты к рынку: энергетические металлы и индустриализация электромобилей» (PDF) . Energy.umich.edu . Энергетический институт Мичиганского университета. Архивировано из оригинала (PDF) 16 июня 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Маттео Бьянкини; Мария Рока-Аяц; Паскаль Хартманн; Торстен Брезесински; Юрген Янек (29 июля 2019 г.), «Туда и обратно - путешествие LiNiO 2 как катодно-активного материала» , Angewandte Chemie International Edition , vol. 58, нет. 31, Wiley-VCH, стр. 10434–10458, doi : 10.1002/anie.201812472 , PMID 30537189 , S2CID 54479125 , получено 26 ноября 2021 г.
- ^ Шэн С. Чжан (январь 2020 г.), «Проблемы и их происхождение слоистых оксидных катодных материалов с высоким содержанием никеля» , Energy Storage Materials , vol. 24, стр. 247–254 , получено 26 ноября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б Сюань Лю; Кан Ли; Сян Ли (2018). «Электрохимические характеристики и применение нескольких популярных литий-ионных аккумуляторов для электромобилей - обзор» . У К. Ли; Дж. Чжан; М. Чен; З. Ян; К. Ню (ред.). Достижения в области зеленых энергетических систем и интеллектуальных сетей . МЦВЕ 2018, ИМИОТ 2018 . Коммуникации в компьютерной и информатике. Том. 925. Спрингер, Сингапур. стр. 201–213. дои : 10.1007/978-981-13-2381-2_19 . ISBN 9789811323805 . Проверено 26 ноября 2021 г. См. также альтернативный источник академических статей.
- ^ Перейти обратно: а б Кристоф Пийо (30 января 2017 г.). «Сырье для литий-ионных аккумуляторов: спрос и предложение в 2016–2025 гг.» (PDF) . avicenne.com . Авиценна.
- ^ Перейти обратно: а б Юка Обаяси, Рицуко Симидзу (13 сентября 2018 г.). «Японская компания Sumitomo сосредоточится на поставках материалов для аккумуляторов Panasonic и Toyota» . Рейтер .
- ^ Джеймс Эйр (26 февраля 2016 г.). «Sumitomo Metal Mining увеличивает производство NCA (используемого в литий-ионных катодах) на 38 % в ожидании запуска Tesla Model 3» . evobsession.com . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Фрэнк Лю (13 ноября 2019 г.). «В Цинхае началось строительство завода по производству катодных материалов NCA мощностью 50 000 тонн» . Новости СММ – News.metal.com > Новости > Новости отрасли . Шанхайский рынок металлов SMM, SMM Information & Technology Co.
- ^ Джеймс Эйр (2 декабря 2017 г.). «Батареи Tesla 101 — производственные мощности, использование, химия и планы на будущее» . ЧистаяТехника .
- ^ Фред Ламберт (4 мая 2017 г.). «Исследователь аккумуляторов Tesla представляет новый химический состав для увеличения срока службы при высоком напряжении» . Электрек . Электрек, сеть 9то5.
- ^ Кён Вон Нам; Нам-Юнг Пак; Кан Джун Пак; Цзихуэй Ян; Цзюнь Лю (13 декабря 2019 г.), «Снижение емкости катодов NCA с высоким содержанием никеля: влияние степени микрорастрескивания» , ACS Energy Letters , vol. 4, нет. 12, стр. 2995–3001, doi : 10.1021/acsenergylett.9b02302 , ISSN 2380-8195 , S2CID 210234684 , получено 26 ноября 2021 г.
- ^ «Сравнительная таблица беспроводных пылесосов Dyson: сравнение лучших с лучшими — Powertoollab» . Лучшие электроинструменты на продажу, обзоры экспертов и руководства . 22 августа 2018 г. [ нужен лучший источник ]