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. 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. 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. 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. 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 başvurusunda bulundu. 2001 yılında, Zhonghua Lu ve Jeff Dahn, son üyeler arasındaki katı çözelti konseptine dayanan NMC pozitif elektrot malzemeleri sınıfı için bir patent 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.
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.
NMC elektrotlarının kullanımı
Çoğu elektrikli arabada NMC piller bulunur. NMC piller, 2011'de BMW ActiveE'ye ve 2013'ten itibaren BMW i8'e takıldı. 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. 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.
NMC ayrıca çoğu pedelec pilinde cep telefonları/akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar gibi mobil elektronik cihazlar için de kullanılır. Bu uygulamalar için, lityum kobalt oksit LCO'lu piller, 2008'de neredeyse yalnızca hala kullanılıyordu. 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. 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.
NMC elektrotlarının özellikleri
NMC pillerin hücre voltajı 3,63,7 V'dir. Manthiram, bu katmanlı oksit katotların kapasite sınırlamalarının, metal 3d bandının oksijen 2p bandının tepesine göreli konumlarına göre anlaşılabilen kimyasal kararsızlığın bir sonucu olduğunu keşfetti. Bu keşfin, lityum iyon pillerin pratik olarak erişilebilir bileşimsel alanı ve güvenlik açısından kararlılıkları için önemli etkileri oldu.