Литий-никель-кобальт-алюминиевые оксиды

Литий-никель-кобальт-алюминиевые оксиды (NCA) представляют собой группу веществ, включающих оксиды металлов. Некоторые из них важны из-за их применения в литий-ионных батареях. NCA используются в качестве активного материала на положительном полюсе (который является катодом, когда батарея разряжена). NCA представляют собой смешанные оксиды, содержащие катионы химических элементов лития, никеля, кобальта и алюминия. Наиболее важные представители имеют общую формулу LiNi xCoyAlzO2с x + y + z = 1. В случае NCA, содержащего батареи, доступные в настоящее время на рынке, которые также используются в электромобилях и электрические приборы, x ≈ 0,8, и 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 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O2.

• 1 Батареи NCA: Изготовитель и использование
  • 1.1 Изготовитель NCA
• 2 Свойства NCA
• 3 NCA с высоким содержанием никеля: преимущества и ограничения
• 4 Модификации материала
• 5 Ссылки

Самый важный производитель NCA батареи - это Panasonic или партнер Panasonic Tesla, поскольку Tesla использует NCA в качестве активного материала в тяговых батареях своих моделей автомобилей. В Tesla Model 3 и Tesla Model X используется LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O2. За некоторыми исключениями, в текущих электромобилях по состоянию на 2019 год используется либо NCA, либо альтернативно оксиды лития, никеля, марганца, кобальта (NMC). Помимо использования в электромобилях, NCA также используется в батареях для электронных устройств, в основном, Panasonic, Sony и Samsung. также оснащены батареями NCA.

Производитель NCA

Основными производителями NCA и их долями на рынке в 2015 году были Sumitomo Metal Mining с 58%, Toda Kogyo (BASF) с 16%, Нихон Кагаку Сангё с 13% и Ecopro с 5%. Sumitomo поставляет Tesla и Panasonic и в 2014 году смогла производить 850 тонн NCA в месяц. В 2016 году Sumitomo увеличила свои ежемесячные производственные мощности до 2550 тонн, а в 2018 году до 4550 тонн. В Китае, в округе Тунжэнь в провинции Цинхай, с 2019 года строится завод, который первоначально будет производить 1500 тонн NCA в месяц.

Полезная емкость заряда NCA составляет примерно от 180 до 200 мАч / г. Это намного ниже теоретических значений; для LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O2это 279 мАч / г. 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 O2с 170 мАч / г. Подобно LiCoO 2 и NMC, NCA относится к катодным материалам со слоистой структурой. Из-за высокого напряжения NCA позволяет использовать батареи с высокой плотностью энергии. Еще одно преимущество NCA - отличная возможность быстрой зарядки. Недостатками являются высокая стоимость и ограниченные ресурсы кобальта и никеля.

Два материала NCA и NMC имеют родственные структуры, весьма схожее электрохимическое поведение и демонстрируют схожие характеристики, в частности, относительно высокую плотность 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.

LiNiO 2, который тесно связан с NCA, или оксидом никеля NiO 2 сам по себе пока не может использоваться в качестве материала батареи, поскольку они механически нестабильны, демонстрируют быструю потерю емкости и имеют проблемы с безопасностью.

NCA LiNi xCoyAlzO2с x ≥ 0,8 называются богатыми никелем; 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 теряет тепло. Если аккумулятор ранее был перезаряжен, тепловой пробой может произойти уже при 65 ° C. Ионы алюминия в NCA повышают стабильность и безопасность, но они снижают емкость, поскольку сами не участвуют в окислении и восстановлении.

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 ходе исследований, могут содержать фториды, такие как фторид алюминия AlF 3, кристаллические оксиды (например, CoO 2, TiO 2, NMC) или стеклообразные оксиды (кремний диоксид SiO 2) или фосфаты, такие как FePO 4.

1. ^ Агус Пурванто, Корнелиус Сатрия Юда, У Убайдиллах, Хендри Видияндари, Такаши Оги (2018-09-26), "Катодный материал NCA: методы синтеза и усилия по повышению производительности", Materials Research Express, IOP Publishing, 5 (12), стр. 122001, doi : 10.1088 / 2053-1591 / aae167, ISSN 2053-1591 CS1 maint: несколько имен: авторов list (ссылка )
2. ^Джеймс Эйр (2017-12-02). «Tesla Batteries 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». Electrek. Electrek, сеть 9to5.
4. ^ Маттео Бьянкини, Мария Рока-Аятс, Паскаль Хартманн, Торстен Брезесински, Юрген Янек (2019-07-29), «Туда и обратно - путешествие LiNiO 2 в качестве катодно-активного материала», Angewandte Chemie International Edition, Wiley-VCH, 58 (31), pp. 10434–10458, doi :10.1002/anie.201812472 CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка )
5. ^Кён Вон Нам, Нам-Юнг Парк, Кан-Джун Парк, Джихуэй Ян, Цзюнь Лю (2019-12-13), «Снижение емкости катодов NCA с высоким содержанием никеля: влияние степени микротрещин», ACS Energy Letters, 4 (12), стр. 2995–3001, doi : 10.1021 / acsenergylett.9b02302, ISSN 2380-8195 CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка )
6. ^ Christophe Pillot (2017-01-30). «Спрос и предложение на сырье для литий-ионных аккумуляторов в 2016–2025 гг.» (PDF). avicenne.com. Авиценн.
7. ^"Сравнительная таблица беспроводных пылесосов Dyson: сравнение лучшего с лучшим - Powertoollab". Лучшие электроинструменты на продажу, обзоры экспертов и руководства. 22.08.2018.
8. ^ Юка Обаяши, Рицуко Симидзу (13.09.2018). «Японская Sumitomo сосредоточится на поставках аккумуляторных батарей для Panasonic и Toyota». Reuters.
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 объекта 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. ^ Марка М. Дофф (2013), Ральф Дж. Бродд (редактор), «Катоды для батарей: избранные статьи из Энциклопедии науки и технологий в области устойчивого развития», Батареи для устойчивого развития, New York, NY: Springer, pp. 5–49, doi : 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. Энергетический институт Мичиганского университета.
13. ^Шэн С. Чжан (январь 2020 г.), «Проблемы и их происхождение для катодных материалов из слоистого оксида с высоким содержанием никеля», Energy Storage Materials, 24, pp. 247–254, doi : 10.1016 / j.ensm.2019.08.013
14. ^ Сюань Лю, Кан Ли, Сян Ли (2018), «Электрохимические характеристики и применение нескольких популярных литиевых ионные батареи для электромобилей - обзор » (PDF), Advances in Green Energy Systems and Smart Grid, Singapore: Springer Singapore, 925, pp. 201–213, doi : 10.1007 / 978-981-13-2381-2_19, ISBN 978-981-1323-80-5, получено 2020-02-15 CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка )