Li-ion 배터리 삼원 캐소드 재료에서 NI, CO, MN 및 AL의 역할

리튬-이온 바터리 (LIB)는 현대 전자 제품 및 전기 자동차 (EV)의 강국이며, 성능은 캐소드 재료에 힌지입니다 이 중에서, ASNCM (Nickel-Cobalt-Manganeseoxides) 및 NCA (Nickel-Cobalt-Aluminum Oxides)는 균형 잡힌 에너지 밀도 및 안정성을 우세합니다 그러나, Nickel (NI), 코발트 (CO), 망간 (MN) 또는 알루미늄 (AL)의 비율을 전기 화학적 행동에 크게 영향을 미칩니다 ● 각 요소의 역할과 비율이 배터리 성능에 미치는 영향을 해부하십시오

1 니켈 (NI) : 에너지 밀도 부스터

주요 기능

• 고용량 : 니켈은 용량의 주요 기여자입니다 산화 환원 반응 (Ni² ● ● ● Niâ³ ● ● ● ● Ni ● ● ● º)을 겪어 리튬 이온의 추출 및 삽입을 가능하게합니다 니켈 함량이 높을수록 재료가 증가합니다 ● S 특정 용량 (예 : NCM811은 ~ 200 mAh/g vs NCM111 ● S ~ 160 mAh/g)을 증가시킵니다
• 전압 프로파일 : 니켈이 풍부한 캐소드는 더 높은 평균 방전 전압 (~ 3 8 V)을 나타내며, 에너지 밀도를 직접 강화시킵니다
• 구조적 과제 :
• 위상 전이 : 높은 니켈 수준 (> 80%)에서, 층 구조 (예 : î ± -nafeo ●-타입)는 사이클링 동안 무질서한 스피넬 또는 암석 단계로 변형되어 돌이킬 수없는 용량 손실을 유발하는 경향이있다
• 양이온 혼합 : Ni² (이온 반경 ~ 0.69M)는 Li로 마이그레이션 할 수 있습니다 ● ºsites (0 76M), 리튬 확산 경로를 차단하고 가속화하는 분해

니켈 내용의 영향

• High-Ni Cathodes (예 : G., NCM811, NCA) :
• 장점 : 최대 300 WH/kg의 에너지 밀도, 긴 운전 범위가 필요한 EV에 이상적입니다
• 단점 : 열 안정성 열악한 (열 런 어웨이는 ~ 200 ° C에서 시작), 더 짧은 사이클 수명 (80% 용량 유지에서 ~ 1,000 사이클)
• 완화 전략 : 표면 코팅 (예 : G., A ● O ● LIPO ●), 구조를 안정화시키기 위해 mg/ti로 도핑

2 코발트 (CO) : 구조적 안정제

주요 기능

• 구조적 무결성 : coâ³ ● º 층 구조를 보존하여 강한 CO-O 결합을 유지하여 양이온 혼합을 억제합니다
• 전자 전도도 : CO는 전자 수송을 향상시켜 내부 저항을 줄이고 속도 능력을 향상시킵니다
• 윤리 및 경제 문제 : 코발트는 비싸고 (~ $ 50,000/톤) 콩고 민주 공화국 (DRC)의 비 윤리적 광업 관행과 관련이 있으며,이를 제거하기위한 노력을 기울였습니다

코발트 내용의 영향

• 고 코 캐소드 (예 : G., NCM523) :
• 장점 : 우수한 사이클 수명 (> 2,000 사이클), 안정적인 전압 출력
• 단점 : 높은 비용, 제한된 지속 가능성
• 로우 코/공동 프리 대안 :
• 망간 치환 : Mn 또는 Al은 NCMA (Ni-Co-Mn-Al) 음극에서 CO를 대체합니다
• Linio ● 기반 재료 : 순수한 니켈 음극이 탐구되고 있지만 심각한 구조적 불안정성에 직면합니다

3 망간 (MN) 및 알루미늄 (AL) : 안정성 강화제

망간 inncm

• 열 안정성 : Mn ● ● º 형태의 강한 MN-O 결합을 형성하여 고온에서 산소 방출을 지연시킵니다 (NCM의 경우> 250 ° C 대 하이 NI 시스템의 경우 200 ° C)
• 비용 절감 : 망간은 풍부하고 저렴하며 (~ $ 2,000/톤) 재료 비용을 낮추십시오
• 단점 : 초과 MN (> 30%)은 스피넬 위상 형성 (예 : g., limn ● O ●), 용량 및 전압 감소를 촉진합니다

NCA의 알루미늄

• 구조적 강화 : Alâ³ ● º (이온 반경 ~ 0.54)는 전이 금속 부위를 차지하여 양이온 혼합을 최소화하고 사이클 수명을 향상시킵니다
• 안전 부스트 : AL-O 결합은 매우 안정적이며 열 남용 중에 산소 진화가 감소합니다
• 트레이드 오프 : 높은 AL 함량 (> 5%)은 전자 전도도를 저하 시키며 나노 화 또는 탄소 첨가제가 필요합니다

4 요소 균형 : 인기있는 작곡 및 트레이드 오프

5 Futuretrends와 혁신

하이 니, 저 코 시스템

• 목표 : 코발트를 최소화하면서> 350 wh/kg 에너지 밀도를 달성합니다 (예 : ncm9 ½, ncma)
• 과제 : ALD (Atomic-Layer 증착) 코팅 또는 그라디언트 구조 (코어-쉘 설계)를 통한 NI- 유도 분해 관리

솔리드 스테이트 배터

• 고체 전해질 (예 : g., li ● ● ZR ● ● ● ●)과 쌍을 이루는 3 가지 재료는 수상 돌기를 억제하고 안전을 향상시킬 수 있습니다

SustainabilityInitiatives

• 재활용 : 광업에 대한 의존도를 줄이기 위해 소비 된 배터리 (예 : g., Hydrometallurgy)에서 Ni/Co 회수
• 코발트가없는 캐소드 : MN이 풍부한 LNMO 또는 LifePo ● 비용에 민감한 응용 분야

결론

성 캐소드 재료의 화학은 에너지 밀도, 수명, 안전 및 비용 사이의 섬세한 춤입니다 니켈은 용량을 구동하지만 고정 구조를 불안정하게 만들고 코발트 앵커 안정성은 높은 가격으로 안정성을 고정시키는 반면 망간 안분산은 저렴한 강화를 제공합니다 산업이 니가 풍부한 공동 시스템으로 행진함에 따라, 재료 공학 및 재활용의 획기적인 것은 차세대 EV와 재생 가능한 에너지 스토리지에 힘을 발휘할 수있게 될 것입니다

자세히 알아보십시오 NCM 캐소드 재료 그리고 NCA 캐소드 재료 리튬 이온 배터리 연구 및 제조 용