Nikel Mangan Kobalt pili

Lityum nikel manganez kobalt oksitler (Li-NMC, LNMC veya NMC ), lityum, nikel, manganez ve kobaltın karışık metal oksitleridir. LiNixMnyCozO2 genel formülüne sahiptirler. En önemli temsilcileri, x + y + z'den oluşan geçiş metali sitesinde az miktarda 1'e yakın lityum bulunan bir bileşime sahiptir. Ticari NMC numunelerinde, bileşim tipik olarak < %5 fazladan lityum içerir.[1][2] Bu gruptaki malzemeler yapısal olarak lityum kobalt(III) oksit (LiCoO2) ile yakından ilişkili katmanlı bir yapıya sahiptir ancak stokiyometride ideal bir Mn(IV), Co(III) ve Ni(II) 1:1:1 yük dağılımına sahiptir.

Nikel açısından daha zengin bileşimler için, nikel, yük dengesi için oksitlenmiş durumdadır. NMC'ler, lityum iyon pillerdeki lityum iyonları için en önemli depolama malzemeleri arasındadır. Katot olarak kullanılırlar.

Tarih

Stokiyometrik NMC katotları, uç elemanlar, LiCoO2, LiMnO2 ve LiNiO2 arasındaki katı çözeltilerde noktalar olarak temsil edilir. Tarihsel olarak John B. Goodenough'un 1980'lerde LiCoO2, Tsutomo Ohzuku'nun Li(NiMn)O2 ve NaFeO2 tipi malzemelerle ilgili çalışmalardan türetilmiştir.[3][4] Stokiyometrik NMC'lerle ilgili olarak, lityum açısından zengin NMC malzemeleri ilk kez 1998'de rapor edildi ve yapısal olarak lityum kobalt(III) okside (LiCoO2) benzer, ancak aşırı lityum ile stabilize edildi, Li/NMC > 1.0, bu da kendisini Li2MnO3 benzeri nano alanlar serisi bir malzemelerde gösterir. Bu katotlar ilk olarak CS Johnson, JT Vaughey, MM Thackeray, TE Bofinger ve SA Hackney tarafından bildirildi.[5] Her iki NMC katod türü için, tüm geçiş metal katyonlarının üç değerlikli olması yerine manganezi oksitleyen ve nikel katyonlarını azaltan resmi bir dahili yük aktarımı vardır. Şarj sırasında resmi olarak nikelin (II) iki elektron oksidasyonu, bu NMC katot malzemelerinin yüksek kapasitesine katkıda bulunur. 2001 yılında Arumugam Manthiram, bunlar gibi katmanlı oksit katotlar için yüksek kapasite oluşturan mekanizmanın, oksijen 2p bandının tepesine göre metal 3d bandının göreli konumlarına dayalı olarak anlaşılabilen bir geçişten kaynaklandığını öne sürdü.[6][7][8] Bu gözlem, NMC katotların 4,4 V'un üzerinde yüksek kapasitesini açıklamaya yardımcı olur; gözlemlenen kapasitenin bir kısmının katyon oksidasyonundan ziyade oksit kafesinin oksidasyonundan kaynaklandığı bulunmuştur.

2001'de Christopher Johnson, Michael Thackeray, Khalil Amine ve Jaekook Kim, Li2MnO3'ten türetilmiş alan yapısına dayalı lityum nikel manganez kobalt oksit (NMC) lityum açısından zengin katotlar için bir patent[9][10] başvurusunda bulundu. 2001 yılında, Zhonghua Lu ve Jeff Dahn, son üyeler arasındaki katı çözelti konseptine dayanan NMC pozitif elektrot malzemeleri sınıfı için bir patent[11] başvurusunda bulundu.

Metal oranları

Birkaç farklı nikel seviyesi ticari açıdan ilgi çekicidir. Üç metal arasındaki oran üç sayı ile gösterilir. Örneğin,LiNi 0.333Mn0.333Co 0.333O2, NMC111 veya NMC333; LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 NMC532 (veya NCM523); LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 NMC622 ve LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 NMC811 olarak kısaltılmıştır. Kobalt tedarikiyle ilgili potansiyel sorunlar göz önüne alındığında, termal kararlılığı düşürmesine rağmen nikel seviyesinin artırılmasına ilgi vardır.[12]

NMC111'i için lityum karbonat veya lityum hidroksit kullanılabilirken NMC811'i yapmak için lityum hidroksit gerekir. Daha düşük bir sentez sıcaklığı, düşük performansla bağlantılı olan lityum/nikel bölgesi değişimini azaltmaya yardımcı olur.[13]

NMC elektrotlarının kullanımı

Audi e-tron Sportback

Çoğu elektrikli arabada NMC piller bulunur. NMC piller, 2011'de BMW ActiveE'ye ve 2013'ten itibaren BMW i8'e takıldı.[14] 2020 itibarıyla NMC pillere sahip elektrikli otomobiller şunları içerir: Audi e-tron GE, BAIC EU5 R550, BMW i3, BYD Yuan EV535, Chevrolet Bolt, Hyundai Kona Electric, Jaguar I-Pace, Jiangling Motors JMC E200L, NIO ES6, Nissan Leaf S Plus, Renault ZOE, Roewe Ei5, VW e-Golf ve VW ID.3.[15] Çekiş akülerinde NMC kullanmayan yalnızca birkaç elektrikli otomobil üreticisi var. Tesla, araçları için NCA pilleri kullandığından en önemli istisna Tesla'dır. 2015 yılında Elon Musk, birimlerin ömrü boyunca şarj/deşarj döngülerinin sayısını artırmak için ev depolama Tesla Powerwall'un NMC'ye dayalı olduğunu söyledi.[16]

Jaguar I-Pace

NMC ayrıca çoğu pedelec pilinde cep telefonları/akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar gibi mobil elektronik cihazlar için de kullanılır.[17] Bu uygulamalar için, lityum kobalt oksit LCO'lu piller, 2008'de neredeyse yalnızca hala kullanılıyordu.[18] NMC pillerinin başka bir uygulamasıgüç istasyonlarıdır. Örneğin Kore'de, frekans regülasyonu için NMC'ye sahip bu tür iki depolama sistemi 2016'da kuruldu: biri 16 MW kapasite ve 6 MWh enerjili ve diğeri 24 MW ve 9 MWh'li.[19] 2017/2018'de Avustralya'nın Batı Avustralya eyaletindeki Newman'da 30 MW'ın üzerinde kapasite ve 11 MWh'ye sahip bir batarya kuruldu ve devreye alındı.[20][21]

NMC elektrotlarının özellikleri

NMC pillerin hücre voltajı 3,6–3,7 V'dir.[22] Manthiram, bu katmanlı oksit katotların kapasite sınırlamalarının, metal 3d bandının oksijen 2p bandının tepesine göreli konumlarına göre anlaşılabilen kimyasal kararsızlığın bir sonucu olduğunu keşfetti.[6][23][8] Bu keşfin, lityum iyon pillerin pratik olarak erişilebilir bileşimsel alanı ve güvenlik açısından kararlılıkları için önemli etkileri oldu.

Kaynakça

  1. ^ Julien (July 2016). "Optimization of Layered Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries". Materials. 9 (7): 595. doi:10.3390/ma9070595. PMC 5456936 $2. PMID 28773717. 
  2. ^ Li (February 2019). "Degradation Mechanisms of High Capacity 18650 Cells Containing Si-Graphite Anode and Nickel-Rich NMC Cathode". Electrochimica Acta. 297: 1109-1120. doi:10.1016/j.electacta.2018.11.194. 
  3. ^ Mizushima (1980). "LixCoO2 (0<x<-1): A new cathode material for batteries of high energy density". Materials Research Bulletin. 15 (6): 783-789. doi:10.1016/0025-5408(80)90012-4. 
  4. ^ Breger (2005). "Short- and Long-Range Order in the Positive Electrode Material, Li(NiMn)0.5O2: A Joint X-ray and Neutron Diffraction, Pair Distribution Function Analysis and NMR Study". Journal of the American Chemical Society. 127 (20): 7529-7537. doi:10.1021/ja050697u. PMID 15898804. 
  5. ^ C. S. Johnson, J. T. Vaughey, M. M. Thackeray, T. E. Bofinger, and S. A. Hackney "Layered Lithium-Manganese Oxide Electrodes Derived from Rock-Salt LixMnyOz (x+y=z) Precursors" 194th Meeting of the Electrochemical Society, Boston, MA, Nov.1-6, (1998)
  6. ^ a b Chebiam (2001). "Comparison of the chemical stability of the high energy density cathodes of lithium-ion batteries". Electrochemistry Communications. 3 (11): 624-627. doi:10.1016/S1388-2481(01)00232-6. 
  7. ^ Chebiam (2001). "Soft Chemistry Synthesis and Characterization of Layered Li1−xNi1−yCoyO2−δ (0 ≤ x ≤ 1 and 0 ≤ y ≤ 1)". Chemistry of Materials. 13 (9): 2951-2957. doi:10.1021/cm0102537. 
  8. ^ a b Manthiram (2020). "A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry". Nature Communications. 11 (1): 1550. doi:10.1038/s41467-020-15355-0. PMC 7096394 $2. PMID 32214093. 
  9. ^ US US6677082, Johnson,C.S.; Amine, K. & Kim, J. S., "Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries"  11 Temmuz 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  10. ^ US US6680143, Johnson,C.S.; Amine, K. & Kim, J. S., "Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries"  13 Temmuz 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  11. ^ US US6964828 B2, Dahn, Jeffrey R., "Cathode compositions for lithium-ion batteries"  4 Kasım 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  12. ^ Sun (November 2020). "Life cycle assessment of lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM) batteries for electric passenger vehicles". Journal of Cleaner Production. 273: 123006. doi:10.1016/j.jclepro.2020.123006. 12 Ocak 2023 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Nisan 2023. 
  13. ^ Zhao (2017). "New insight into Li/Ni disorder in layered cathode materials for lithium ion batteries: a joint study of neutron diffraction, electrochemical kinetic analysis and first-principles calculations". Journal of Materials Chemistry A. 5 (4): 1679-1686. doi:10.1039/C6TA08448F. 
  14. ^ Jeremy J. Michalek; Apurba Sakti; Erica R.H. Fuchs (1 Ocak 2015), "A techno-economic analysis and optimization of Li-ion batteries for light-duty passenger vehicle electrification" (PDF), Journal of Power Sources, 273, doi:10.1016/j.jpowsour.2014.09.078, 25 Ekim 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF), erişim tarihi: 23 Şubat 2020 
  15. ^ Evan M. Erickson; Wangda Li; Arumugam Manthiram (January 2020), "High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based automotive batteries", Nature Energy, 5 (1), Springer Nature, doi:10.1038/s41560-019-0513-0, ISSN 2058-7546 
  16. ^ "38,000 Tesla Powerwall Reservations In Under A Week (Tesla / Elon Musk Transcript)". CleanTechnica (İngilizce). 7 Mayıs 2015. 18 Mayıs 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  17. ^ Electrochemical Power Sources: Fundamentals, Systems, and Applications: Li-battery safety, 1, Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 2018, ISBN 978-0-444-64008-6, erişim tarihi: 23 Şubat 2020 
  18. ^ Lucas Sannier; Sébastien Patoux; Hélène Lignier (May 2008), "High voltage nickel manganese spinel oxides for Li-ion batteries", Electrochimica Acta, 53 (12), ss. 4137-4145, doi:10.1016/j.electacta.2007.12.054 
  19. ^ "Kokam's 56 Megawatt Energy Storage Project Features World's Largest Lithium NMC Energy Storage System for Frequency Regulation". PR Newswire (İngilizce). PR Newswire Association LLC. 7 Mart 2016. 15 Mart 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  20. ^ "Alinta sees sub 5-year payback for unsubsidised big battery at Newman". RenewEconomy (İngilizce). 12 Ağustos 2019. 12 Ağustos 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  21. ^ "Energy Storage Solution Provider" (PDF) (İngilizce). 23 Şubat 2020 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 1 Mart 2020. 
  22. ^ "Automotive Lithium-Ion Batteries", Johnson Matthey Technology Review, 59 (1), 2015, doi:10.1595/205651315X685445, 12 Ocak 2023 tarihinde kaynağından arşivlendi 
  23. ^ Chebiam (2001). "Soft Chemistry Synthesis and Characterization of Layered Li1−xNi1−yCoyO2−δ (0 ≤ x ≤ 1 and 0 ≤ y ≤ 1)". Chemistry of Materials. 13: 2951-2957. doi:10.1021/cm0102537.