Почему катоды NCM лучше для литий-ионных аккумуляторов

Сравнение разных типов аккумуляторных элементов

• Коэффициент диффузии, подвижность электронов. Литиевые батареи NCM отличаются повышенной производительностью и плотностью энергии по сравнению с LFP из-за более высокого коэффициента диффузии лития и подвижности электронов. Ионы лития в них способны двигаться в двух различных направлениях, а в LFP – только в одном направлении. В результате коэффициент диффузии лития в никель-кобальт-марганцевых элементах в 10000 раз быстрее, а подвижность электронов в 1000 раз выше, чем в литий-железо-фосфатных.

• Гигроскопичность. Электроды LFP легче поглощают влагу из воздуха, поэтому требуют строгого контроля влажности. Если этого не делать, то содержание воды в батарее увеличивается, что вызывает побочные реакции в процессе заряда-разряда. Возрастает риск набухания элементов и повышения сопротивления. Все это приводит к быстрому снижению производительности. Электроды NCM гораздо менее восприимчивы к влаге.
• Кривые заряда-разряда. Состояние заряда (SOC) никель-кобальт-марганцевого аккумулятора четко зависит от уровня напряжения. С другой стороны, состояние заряда железо-фосфатного аккумулятора сложнее определить по уровню напряжения из-за плоской кривой (см. график ниже). В результате, диагностика SOC для NCM отклоняется в пределах 1-2% от фактического значения, в то время как для LFP отклонения составляют до 10%.

• Разрядная емкость. NCM аккумулятор с более тонким катодом может иметь такую же разрядную емкость, как LFP аккумулятор с более толстым катодом. Это означает, что для реализации одинаковой емкости можно использовать меньше материала катода.
• Сохранение емкости. После одинакового количества циклов емкость у NCM сохраняется дольше. При сравнении аккумуляторов с одинаковой разрядной емкостью (2,6 мА/см2) после 500 циклов у NCM сохраняется на 15% больше емкости (80%), чем у LFP (65%).
• Сопротивление. По мере возрастания количества циклов никель-кобальт-марганцевая батарея дольше сохраняет низкое сопротивление, что позволяет работать с меньшими потерями. Одно из исследований показало, что сопротивление аккумулятора LFP увеличилось до 3 Ом после 500 циклов, в то время как сопротивление аккумулятора NCM осталось ниже 3 Ом даже после 1000 циклов.
• Безопасность. Литий-железо-фосфатные ячейки считаются более безопасными из-за меньшей плотности энергии. Однако на безопасность аккумуляторной батареи влияют много факторов: качество изготовления, чистота материалов, качество электрических контактов, факторы окружающей среды, электронная защита (BMS-контроллер) и т.д. Вопрос безопасности не может сводиться только к материалу катода.
• Затраты при производстве. Для производства LFP элементов требуется меньше энергии, что снижает воздействие на окружающую среду. Однако, если сравнивать батареи с одинаковой емкостью, то энергозатраты не сильно отличаются.