Lityum-iyon bataryalar içeriklerindeki aktif maddeler ile adlandırılırlar. Bu adlandırmada kullanılan maddelerin ya adları tam kelimeler olarak tam yazılır ya da kimyasal sembolleri kullanılarak kısaltılır. Bir araya getirilmiş bir dizi harf ve rakamı hatırlamak zor ve hatta telaffuz etmek daha zor olabilir ama yine de bataryalarda kullanılan kimyasallar da kısaltılmış harflerle tanımlanırlar. 

Örneğin, en yaygın Li-iyon bataryalarından biri olan lityum kobalt oksit, LiCoO₂ kimyasal sembollerine ve LCO kısaltmasına sahiptir. Basitlik nedeniyle, bu pil için Li-kobalt kısa formu da kullanılabilir. Kobalt, bu batarya karakterini veren ana aktif malzemedir. Diğer Li-iyon kimyalarına benzer kısa form adları verilir. Bu bölüm en yaygın Li-iyonların altısını listeler. Kullanılan tüm değer okumaları bu yazının hazırlandığı zaman sırasındaki ortalama tahminlerdir.

 Lityum Kobalt Oksit (LiCoO₂) – LCO

Yüksek özgün enerjisi Li-kobalt’ı cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve dijital kameralar için popüler bir seçim haline getirir. Batarya, bir kobalt oksit katot ve bir grafit karbon anottan oluşur. Katot katmanlı bir yapıya sahiptir ve boşaltma sırasında lityum iyonları anottan katoda doğru hareket eder. Akış şarj olduğunda tersine döner. Li-kobaltın dezavantajı nispeten kısa bir kullanım ömrü, düşük ısıl kararlılık ve sınırlı yük kabiliyetleridir (özgün güç). Şekil 1 yapıyı göstermektedir.

Şekil 1: Li-kobalt yapısı. Katot katmanlı bir yapıya sahiptir. Deşarj sırasında lityum iyonları anottan katoda gider; yükte akış katottan anotadır.

Li-kobaltın dezavantajı nispeten kısa bir kullanım ömrü, düşük termal kararlılık ve sınırlı yük kabiliyetleridir (özgün güç). Diğer kobalt karışımlı Li-iyonlar gibi, Li-kobalt ta değişen katı bir elektrolit arayüzü (SEI) ile döngü ömrünü kısıtlayan, düşük ısıda hızlı ya da normal şarj ederken oluşan lityum kaplamayla kalınlaşan bir grafit anota sahiptir. Daha yeni sistemler, uzun ömürlülüğü, yükleme yeteneklerini ve maliyeti iyileştirmek için nikel, manganez ve / veya alüminyum içerir.

Li-kobalt, C-derecesinden daha yüksek bir akımda şarj ve deşarj edilmemelidir. Bu, 2.400mAh’lık bir 18650 hücresinin sadece 2.400mA’de şarj edilebileceği ve deşarj edilebileceği anlamına gelir. Hızlı bir şarja zorlamak veya 2.400mA’dan daha yüksek bir yük uygulamak aşırı ısınmaya ve aşırı strese neden olur.

Üreticiler en ideal hızlı şarj için, 0.8C veya yaklaşık 2.000mA C oranı önerir. (Bkz. Piller-402: C oranı nedir). Bu tip bataryalarda kullanılması zorunlu olan batarya koruma devresi, şarj ve deşarj oranını enerji hücresi için güvenli bir seviyeye olan yaklaşık 1C ile sınırlar.

Altıgen örümcek grafiği (Şekil 2), Li-kobalt’ın çalışma zamanı ile ilgili özgün enerji veya kapasite açısından performansını özetler; özgül güç veya yüksek akım iletme yeteneği; Emniyet; sıcak ve soğuk sıcaklıklarda performans; çevrim ömrünü ve ömrünü yansıtan yaşam süresi; ve maliyet.

Örümcek ağı grafiğinde gösterilmeyen diğer ilgi çekici özellikler toksisite, hızlı şarj özellikleri, kendi kendine deşarj ve raf ömrüdür. (Bkz. Piller-104c: Sekizgen Batarya Kuralı – Bataryayı Batarya Yapan Nedir).

Günümüzde Li-kobalt bataryalar yüksek kobalt maliyeti diğer lityum-iyon karışımlarının aktif katot malzemeleri ile harmanlanarak geliştirilmiş performansları nedeniyle Li-manganez, özellikle NMC ve NCA’ya karşı pazar kaybediyorlar. (Aşağıdaki NMC ve NCA’nın açıklamasına bakın.)

Şekil 2: Ortalama bir Li-kobalt pilin görünümü. Li-kobalt yüksek özgün enerjiye sahiptir, ancak orta düzeyde performans, özgün güç, güvenlik ve ömür sağlar.

Özellikler Tablosu

Tablo 3: Lityum kobalt oksit bataryanın özellikleri.

Lityum Manganez Oksit (LiMn₂O₄) – LMO

Mangan kristalli (spinelli) li-iyon ilk olarak 1983 yılında Materials Research Bulletin  dergisinde yayınlandı. 1996 yılında Moli Energy, katot malzemesi olarak lityum manganez oksit içeren bir Li-iyon hücresini piyasaya sürdü. Bataryanın bileşimini elektrot üzerindeki iyon akışını arttıran üç boyutlu bir kristal (spinel) yapısı oluşturur, bu da daha düşük iç direnç ve gelişmiş akım verimi ile sonuçlanır. Kristalin (spinelin) başka bir avantajı ise yüksek ısısal kararlılık ve gelişmiş güvenliktir, ancak şarj/deşarj döngüsü ve çalışma ömrü sınırlıdır.

Düşük iç hücre direnci, hızlı şarj ve yüksek akım deşarjı yeteneği sağlar. Bir 18650 paketinde, Li-manganez, 20-30A arasındaki akımlarda orta derecede ısı birikimi ile deşarj edilebilir. 50A’ya kadar bir saniyelik yük darbeleri uygulamak ta mümkündür. Ama bu akımlardaki sürekli yükler yüksek ısı oluşmasına neden olur ve hücre sıcaklığı 80 ° C nin üzerine çıkabilir ki bu da hücrenin tahrip olmasına yol açar. Li-manganez elektrikli el aletleri, tıbbi aletler, hibrit ve elektrikli araçlar için kullanılır.

Şekil 4, bir Li-manganez pilin katodu üzerinde üç boyutlu kristalin bir çerçevenin oluşumunu gösterir. Genellikle bir kafese bağlı elmas şekillerden oluşan bu kristal (spinel) yapı, hücrenin ilk oluşumdan sonra ortaya çıkar.

Şekil 4: Li-mangan yapısı.Lityum manganez oksitin katot kristalinin oluşumu, ilk oluşumdan sonra ortaya çıkan üç boyutlu bir çerçeve yapısına sahiptir. Kristal (Spinel) düşük direnç sağlar, ancak kobalttan daha az bir özgün enerjiye sahiptir.

Li-manganez, Li-kobalttan kabaca üçte bir daha düşük bir kapasiteye sahiptir. Sağladığı tasarım esnekliği, mühendislerin bataryanın ideal çalışma süresini (ömür), maksimum yük akımını (özgün güç) veya yüksek kapasiteyi (özgün enerji) için en üst düzeye çıkarmasına olanak tanır. Örneğin, 18650 hücresindeki uzun ömürlü tipinin ortalama kapasitesi sadece 1.100mAh; yüksek kapasiteli tipinin ise 1.500mAh’dir.

 Şekil 5, tipik bir Li-manganez bataryanın örümcek ağı grafiğini göstermektedir. Veriler marjinal görünse de yeni tasarımlar ile özgün güç, güvenlik ve kullanım ömrü açısından gelişmeler sağlanmıştır. Saf Li-manganez piller genel kullanımda artık fazlaca yaygın değiller ve sınırlı olarak sadece bazı özel uygulamalar için kullanılıyorlar.

Şekil 5: Saf bir Li-manganez pilin grafiği. Genel olarak ortalama bir verim sağlayabilmesine rağmen, yeni Li-manganez tasarımları güç, güvenlik ve çalışma süresinde gelişmeler sağlamıştır.

Çoğu Li-manganez batarya özgün enerjiyi iyileştirmek ve ömrünü uzatmak için lityum nikel manganez kobalt oksit (NMC) ile karıştırılır. Bu kombinasyon her sistemde en iyiyi ortaya çıkarır ve LMO (NMC) Nissan Leaf, Chevy Volt ve BMW i3 gibi çoğu elektrikli araçlarda tercih edilen batarya olmuştur. Bataryanın yaklaşık yüzde 30 olan LMO kısmı hızlanmada yüksek akım gereksinimi karşılarken NMC kısmı ise uzun sürüş mesafesi sağlar.

Li-iyon araştırmaları li-manganezi aktif katot malzemesi olarak kobalt, nikel, manganez ve / veya alüminyum ile birleştirmeye yöneliyor. Bazı mimarilerde ise anoda az miktarda silikon eklenir. Bu yüzde 25 kapasite artışı sağlar ama bu kazanç genellikle daha kısa bir çevrim ömrü meydana getirir. Çünkü silikonun şarj ve deşarj ile büyümesi ve küçülmesi mekanik strese neden olur bu da bataryanın ömrünü etkiler.

Bu üç aktif metalin yanı sıra silikon takviyesi, özgün enerjiyi (kapasite), özgün gücü (yük kapasitesi) veya uzun ömürlülüğü arttırmak için uygun şekilde seçilebilir. Tüketici bataryaları yüksek kapasiteye sahipken, endüstriyel uygulamalar iyi yükleme özelliklerine sahip, uzun ömürlü ve güvenli ve güvenilir hizmet sağlayan batarya sistemleri gerektirir.

Özellikler Tablosu

Tablo 6: Lityum Manganez Oksitin Özellikleri.

Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (LiNiMnCoO₂) — NMC

En başarılı Li-iyon sistemlerinden biri, nikel-manganez-kobalt (NMC) ile oluşturulan bir katot kombinasyonudur. Li-manganeze benzer şekilde, bu sistemler Enerji Hücreleri veya Güç Hücreleri olarak kullanılmak üzere uyarlanabilir. Örneğin, orta yük koşulu için bir 18650 hücresindeki NMC yaklaşık 2.800mAh kapasiteye sahiptir ve 4A ila 5A verebilir; Özgün güç için optimize edilmiş aynı hücredeki NMC ise sadece yaklaşık 2.000mAh kapasiteye sahiptir, ancak 20A’lık sürekli bir deşarj akımı sağlar. Silikon bazlı bir anot ise 4.000mAh ve daha yüksek akım sağlayabilecek olsada daha az yükleme kapasitesi ve daha kısa çevrim ömrü sağlayacaktır. Grafite eklenen silikon ise anodun şarj ve deşarj ile büyümesi ve büzüşmesi gibi bir dezavantaja sahiptir, bu da hücreyi mekanik olarak kararsız hale getirir.

NMC’nin sırrı nikel ve manganezin birleştirilmesinde yatmaktadır. Bunun bir benzetmesi ana bileşenleri olan sodyum ve klorürün kendi başlarına toksik olduğu, ancak bunların karışımının baharat tuzu ve gıda koruyucu görevi gördüğü sofra tuzudur. Nikel, yüksek özgün enerjisi, ancak zayıf dengesi ile bilinir; manganez, düşük iç direnç elde etmek için kristalize (spinel) bir yapı oluşturma avantajına sahiptir, ancak düşük bir özgün enerji sunar. Bütün bu metallerin birleştirilmesi ise birbirlerinin gücünü artırır.

NMC, elektrikli aletler, elektrikli bisikletler ve diğer elektrikli güç aktarma organları için tercih edilen bataryadır. Katot kombinasyonu tipik olarak, 1-1-1 olarak da bilinen, üçte bir nikel, üçte bir manganez ve üçte bir kobalttır. Bu, azaltılmış kobalt içeriği nedeniyle ham madde maliyetini de düşüren benzersiz bir karışım sunar. Bir diğer başarılı kombinasyon ise 5 kısım nikel, 3 kısım kobalt ve 2 kısım manganez (5-3-2) içeren NCM’dir. Çeşitli miktarlarda katot malzemeleri kullanan diğer kombinasyonlar mümkündür.
Batarya üreticileri, yüksek kobalt maliyeti nedeniyle kobalt sistemlerinden nikel katotlara doğru hareket etmektedir. Nikel esaslı sistemler, kobalt esaslı hücrelere göre daha yüksek enerji yoğunluğuna, daha düşük maliyete ve daha uzun çevrim ömrüne sahiptir, ancak hücre başına verebildikleri gerilim biraz daha düşüktür.

Yeni elektrolitler ve katkı maddeleri, kapasiteyi artırmak için 4,4 V / hücre ve daha yüksek bir şarj oranına olanak tanır. Şekil 7, NMC’nin özelliklerini göstermektedir.

Şekil 7: NMC nin grafiği. NMC genel olarak iyi bir performansa sahiptir ve özgün enerji sınıfında mükemmeldir. Bu batarya tipi elektrikli araç için tercih edilen ve en düşük kendi kendine ısınma oranına sahip bataryadır.

Sistem ekonomik olarak üretilebildiği ve iyi bir performans elde edildiği için NMC ile harmanlanmış Li-iyon platformuna ilgi gün geçtikçe daha çoğalıyor. Kullanılan üç aktif madde, nikel, manganez ve kobalt, sık şarj/deşarj döngüsü gerektiren otomotiv ve enerji depolama sistemleri (EES) için geniş bir uygulama yelpazesine uyacak şekilde kolayca karıştırılabiliyor ve gereksinime tam uygunlukta bataryalar üretilebiliyor. Günümüzde bütün bu artıları ile NMC ailesi gün geçtikçe büyüyor ve de çeşitleniyor.

Özellikler Tablosu

Tablo 8: Lityum nikel manganez kobalt oksidin (NMC) özellikleri.

Lithium Demir Fosfat(LiFePO₄) — LFP

1996’da Teksas Üniversitesi (ve diğer katılımcılar), şarj edilebilir lityum piller için katot malzemesi olarak fosfatı keşfetti. Li-fosfat, düşük dirençle iyi bir elektro kimyasal performans sunar. Bu performans nano ölçekli fosfatı katot malzemesi kullanarak mümkün olmuştur. Başlıca faydaları, yüksek akım verimi ve uzun çevrim ömrünün yanı sıra, iyi termal kararlılık, kötü kullanılması durumunda gelişmiş güvenlik ve toleranstır.

Li-fosfat, tam şarj koşullarına daha toleranslıdır ve uzun süre yüksek voltajda tutulsa bile diğer lityum iyon sistemlerinin aksine daha dayanıklılık gösterir. (Bakınız Piller-808: Lityum Tabanlı Piller Nasıl Daha Dayanıklı Olabilir). Ama buna karşın olarak hücre başına 3,2V luk düşük nominal voltajı özgün enerjisini kobalt karışımlı lityum iyonunun altına düşürür. Çoğu bataryada olduğu gibi Li-fosfat ta da ısı değişiklikleri performansı düşürür ve saklama sırasında maruz kalınacak yüksek sıcaklık bataryanın çalışma ömrünü kısaltır. Li-fosfat, diğer Li-iyon pillerden daha yüksek kendi kendine deşarj özelliğine sahiptir ve bu yaşlanma sürecinde dengeleme sorunlarına neden olabilir. Bu sorunlar maliyeti artıran yüksek kaliteli hücreler satın alarak ve / veya karmaşık kontrol devreleri kullanarak hafifletilebilir. Üretimde temizlik, uzun ömürlülük için önemlidir. Neme toleransı yoktur, aşırı nemli ortamlarda şarj/deşarj döngüsü 50 ye kadar düşebilir. Şekil 9, Li-fosfatın özelliklerini özetlemektedir.

Li-fosfat genellikle kurşun asit marş aküsünü yerine geçmek için kullanılır. Seri halindeki dört hücre, seri halindeki altı 2V kurşun asit hücresine benzer bir voltaj olan 12.80V üretir. Araçlar, kurşun asidi 14.40V’a (2.40V / hücre) şarj eder ve şarjı korur. Kurşun asit akülerde tam şarj seviyesini korumak ve sülfatlaşmayı önlemek için doldurma şarjı da uygulanır.

Bunun yerine kullanılan Li-fosfat bataryada ise seri olarak dört Li-fosfat hücresi bağlanır ve her hücre tam şarj gerilimi olan 3.60V’a kadar şarj edilir. Bu noktada, şarjın bağlantısı kesilmelidir, ancak sürüş sırasında dolum şarjı devam edebilir. Li-fosfat, aşırı yüklenmeye karşı dayanıklıdır; ancak araç uzun bir yolculuğa çıktığında gerilimi devamlı olarak 14,40 V’ta tutmak Li-fosfatta stres yaratabilir.

Zaman bize normal bir araç için kurşun asit bataryadan Li-Fosfata geçişte normal, şu anda kullanılan, şarj sistemi ile Li-Fosfatın ne kadar dayanıklılık göstereceğini ortaya çıkaracaktır.

Aşırı ısı değişiklikleri de Li-iyon performansını azaltır ve bu durum böyle durumlarda bataryanın marş akımı sağlayabilme  kabiliyetini etkileyebilir.

Şekil 9: Tipik bir Li-fosfat bataryanın grafiği Li-fosfat mükemmel bir güvenlik ve uzun ömre sahiptir, ancak orta düzeyde özgün enerjisi vardır ve kendi kendine deşarj hızı yüksektir.

Özellikler Tablosu

Tablo 10: Lityum demir fosfatın özellikleri.

Manganezle zenginleştirilmiş L-fosfat için Lityum Manganez Demir Fosfat (LMFP) bölümüne bakınız.

Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit (LiNiCoAlO2) – NCA

Lityum nikel kobalt alüminyum oksit batarya veya NCA, 1999’dan beri özel uygulamalar için kullanılmaktadır. Yüksek özgün enerji, makul derecede iyi özgün güç ve uzun ömür sunarak NMC ile benzerlikler paylaşır. Ama güvenlik ve maliyet zayıf olduğu noktalardır. Şekil 11 de altı temel özelliği gösterilmektedir. Lityum nikel oksidin platformunun geliştirilmesi sırasında NCA üretilmiştir. Platforma alüminyum eklenmesi bileşime daha fazla stabilite kazandırmıştır.

Şekil 11: NCA’nın grafiği.Yüksek enerji ve güç yoğunlukları ve uzun ömür, NCA’yı elektrikli araçların güç aktarma organları için iyi bir aday yapar. Ama yüksek maliyeti ve marjinal güvenliği en zayıf tarafıdır.

Özellikler Tablosu

Tablo 12: Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit’in Özellikleri

Lityum Titanat (Li₂TiO₃) — LTO

Lityum titanat anotlu bataryalar 1980 lerden beri bilinmektedir. Li-titanat, tipik bir lityum-iyon pilin anot undaki grafitin yerini alır ve malzeme bir kristalize (spinel) yapıya dönüşür. Katot, lityum manganez oksit veya NMC olabilir. Li-titanat 2.40V nominal hücre voltajına sahiptir, hızlı şarj edilebilir ve 10C veya nominal kapasitenin 10 katı yüksek bir deşarj akımı sağlar. Şarj/deşarj döngü sayısının normal bir Li-iyonundan daha yüksek olduğu söylenir. Li-titanat güvenlidir, mükemmel bir düşük ısıda deşarj özelliklerine sahiptir ve –30 ° C’de yüzde 80 kapasite sağlar.

LTO (yaygın olarak Li₄Ti₅O₁₂), grafit anotlu geleneksel kobalt karışımlı Li-iyona göre bazı avantajlara sahiptir. Bunlar hızlı şarj sırasında lityum yüzeylerde kaplama meydana gelmemesi, düşük sıcaklıkta şarj olma yeteneği, katı elektrolit üzerinde film tabaka oluşmaması ve zorlanmalara karşı daha dayanıklılıktır. Yüksek sıcaklıkta termal kararlılığı diğer Li-iyon sistemlerden daha iyidir; ancak maliyet açısından diğer lityum tiplerine göre daha pahalıdır. Özgün enerjisi 65Wh / kg’la, NiCd karşılaştırıldığında daha düşüktür. Li-titanat hücreye 2.80V  yüklenir ve deşarj sonu bu hücrede 1.80V düşer. Şekil 13, Li-titanat bataryanın özelliklerini göstermektedir. Tipik kullanım alanları elektrik aktarma organları, UPS ve güneş enerjisiyle çalışan sokak aydınlatmasıdır.

Şekil 13: Li-titanatın grafiği.Li-titanate güvenlik, düşük ısı performansı ve kullanım ömrünün uzunluğunda mükemmeldir. Özgün enerjisini iyileştirmek ve maliyetini düşürmek için araştırmalar devam etmektedir.

Özellikler Tablosu

Tablo 14: Lityum titanatın özellikleri.

Geleceğin Bataryaları

Katı halli Li-iyon: Yüksek özgün enerji ancak zayıf yükleme ve güvenlik.

Lityum-kükürt: Yüksek özgün enerji ancak zayıf çevrim ömrü ve zayıf yükleme

Lityum-hava: Yüksek özgül enerji ancak zayıf yükleme, çalışabilmek için temiz, filtrelenmiş havaya ihtiyaç duyar ve ömrü kısadır.

Şekil 15, kurşun, nikel ve lityum bazlı sistemlerin özgün enerjisini karşılaştırmaktadır. Li-alüminyum (NCA), diğer sistemlerden daha fazla kapasite depolayarak açık bir kazancı olsa da, bu sadece belirli enerji için geçerlidir. Özgün güç ve ısıl kararlılık açısından, Li-manganez (LMO) ve Li-fosfat (LFP) daha üstündür. Li-titanat (LTO) düşük kapasiteye sahip olabilir, ancak bu bileşim ömrü boyunca diğer birçok pili geride bırakır ve aynı zamanda en iyi soğuk/sıcak ortam performansına sahiptir. Elektrikli güç aktarma organlarında kullanıma geçişte, güvenlik ve çevrim ömrü kapasite yerine tercih nedeni olacaktır. (LCO, orijinal Li-iyon olan Li-kobalt anlamına gelir.)

Şekil 15: Kurşun, nikel ve lityum bazlı pillerin tipik özgün enerjisi.

NCA en yüksek özgün enerjiye sahiptir; bununla birlikte, manganez ve fosfat özgün güç ve ısıl kararlılık bakımından üstündür. Li-titanat ise en iyi çalışma ömrüne sahiptir.