Li-ion batteryの3成分カソード材料におけるNi、Co、Mn、およびAlの役割

リチウムイオンバッテリーズ（LIB）は、最新の電子機器と電気自動車（EV）の大国であり、その性能はカソード材料にかかっています。 これらの中で、ASNCM（ニッケルコバルトマンガンセオオキシド）およびNCA（ニッケルコバルトアルミニウム酸化物）などの三元カソード材料は、そのバランスの取れたエネルギー密度と安定性を支配します。 ただし、ニッケル（NI）、コバルト（CO）、マンガン（MN）、またはアルミニウム（AL）の比率を変化させると、電気化学的挙動が大きく影響します。 ●各要素の役割を分析し、その比率がバッテリーのパフォーマンスにどのように影響するかを説明します。

1。ニッケル（NI）：エネルギー密度ブースター

キー関数

• 大容量：ニッケルが容量の主な貢献者です。 電荷/放電中に、酸化還元反応（Niâ²●●●●●●ni● ´●º）を受け、リチウムイオンの抽出と挿入を可能にします。 ニッケル含有量が多いほど材料が増加します。●S比容量（たとえば、g。、NCM811は〜200 mAh/g対ncm111●s〜160 mAh/gを供給します）。
• 電圧プロファイル：ニッケルリッチカソードは、より高い平均放電電圧（〜3。8 V）を示し、エネルギー密度を直接強化します。
• 構造的課題：
• 位相遷移：ニッケルレベルが高い（> 80％）、層状構造（たとえば、g。、±-NAFEO●型型）は、サイクリング中に障害のあるスピネルまたは岩塩相に変換され、不可逆的な容量の損失を引き起こす傾向があります。
• 陽イオンの混合：Niâ²●ºイオン半径〜0。69ã）は、Li●ºSites（0。76ã）に移動し、リチウム拡散経路をブロックし、分解を加速します。

ニッケルコンテンツの影響

• High-Niカソード（e。g。、NCM811、NCA）：
• 長所：300 kgまでのエネルギー密度は、長い運転範囲を必要とするEVに最適です。
• 短所：熱安定性が低い（熱暴走は〜200°Cで始まります）、より短いサイクル寿命（80％の容量保持で〜1,000サイクル）。
• 緩和戦略：表面コーティング（e。g。、al●o●o●、lipo●）、mg/tiでドーピングして構造を安定させます。

2。Cobalt（Co）：構造安定剤

キー関数

• 構造の完全性：coâ³●º頸部結合を維持し、層状構造を維持することにより、陽イオン混合を抑制します。
• 電子導電率：COは電子輸送を強化し、内部抵抗を減らし、速度能力を改善します。
• 倫理的および経済的問題：コバルトは高価（〜50,000ドル/トン）であり、コンゴ民主共和国（DRC）の非倫理的な鉱業慣行にリンクしており、それを排除するための努力を促進しています。

コバルトコンテンツの影響

• 高COカソード（e。g。、NCM523）：
• 長所：優れたサイクル寿命（> 2,000サイクル）、安定した電圧出力。
• 短所：高コスト、限られた持続可能性。
• 低CO/共同の代替品：
• マンガン置換：MNまたはALは、NCMA（Ni-Co-Mn-AL）カソードのCOを交換します。
• リニオ● - ベースの材料：純粋なニッケルカソードは調査されていますが、深刻な構造不安定性に直面しています。

3。マンガン（MN）およびアルミニウム（AL）：安定性エンハンサー

マンガンインク

• 熱安定性：Mn● ´●深度MN-O結合を形成し、高温での酸素放出を遅らせる（NCMで> 250°C対高NIシステムで<200°C）。
• コスト削減：マンガンは豊富で安価（〜2,000ドル/トン）で、材料コストが削減されます。
• 欠点：過剰なMn（> 30％）は、スピネル相の形成（e。g。、Limn●o●）を促進し、容量と電圧を低減します。

NCAのアルミニウム

• 構造補強：Alâ³●º（イオン半径〜0。54ã）遷移金属部位を占有し、陽イオンの混合を最小限に抑え、サイクル寿命を改善します。
• 安全性の向上：AL-O結合は非常に安定しており、熱乱用中の酸素の進化を減少させます。
• トレードオフ：高AL含有量（> 5％）は電子導電率を低下させ、ナノサイズまたは炭素添加剤を必要とします。

4。要素のバランス：人気のある作曲とトレードオフ

5。先物と革新

High-ni、Low-Cosystems

• 目標：コバルトを最小限に抑えながら、> 350 wh/kgのエネルギー密度を達成します（e。g。、NCM9â½、NCMA）。
• 課題：原子層堆積（ALD）コーティングまたは勾配構造（コアシェル設計）を介したNI誘導分解の管理。

Solid-stateBatteries

• 固体電解質（e。g。、li●la●zr●o●●●）と組み合わせた三元材料は、樹状突起を抑制し、安全性を高めることができます。

持続可能性誘導

• リサイクル：マイニングへの依存を減らすために、使用済みのバッテリー（たとえば、hyd骨系の類似）からNi/Coを回収します。
• コバルトを含まないカソード：MNリッチLNMOまたはLIFEPO●コストに敏感なアプリケーション用。

結論

化学の中国カソード材料は、エネルギー密度、寿命、安全性、コストの間の繊細なダンスです。 ニッケルは容量を駆動しますが、速度を不安定にし、コバルトは安定性を高価格で固定し、マンガンアンダルミンは手頃な価格の強化を提供します。 業界が豊富な共同低下システムに向かって行進するにつれて、材料工学とリサイクル繊維のブレークスルーが次世代のEVと再生可能エネルギーストレージを駆動するための鍵となります。

詳細をご覧ください NCMカソード材料 そして NCAカソード材料 リチウムイオンバッテリーの研究と製造用