Lithium Batteries and Other Electrochemical Storage Systems

374 Pages·2013·8.161 MB·English

by  Christian Glaize, Sylvie Geniès(auth.)

LithiumBatteriesand OtherElectrochemical StorageSystems

Lithium Batteries
and
Other Electrochemical
Storage Systems
Christian Glaize
Sylvie Geniès
Series Editor
Bernard Multon
Firstpublished2013inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as
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TherightsofChristianGlaizeandSylvieGenièstobeidentifiedastheauthorsofthisworkhavebeen
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LibraryofCongressControlNumber: 2013941764
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN:978-1-84821-496-5
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
PART1.STORAGEREQUIREMENTSCHARACTERISTICSOF
SECONDARYBATTERIESEXAMPLESOFUSE . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chapter1.BreakdownofStorageRequirements . . . . . . . . . . . . 3
1.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.Domainsofapplicationforenergystorage . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1.Starterbatteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2.Tractionbatteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3.Stationarybatteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4.Batteriesformobileornomadicdevices . . . . . . . . . . . . 17
1.3.Reviewofstoragerequirementsandappropriate
technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Chapter2.DefinitionsandMeasuringMethods . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1.Accumulator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2.Element,elementarycell,electrolyte . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3.Electrode,half-element,half-cell. . . . . . . . . . . . . . . . . 23
vi LithiumBatteries
2.2.4.Oxidation,reduction,anode,cathode . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.5.Activematerial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.6.Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.7.Batteryofaccumulators,modules,packs,BMS. . . . . . . . 26
2.3.Definitionsofthecharacteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1.Nominalvoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2.Voltageundercurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3.Capacities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.Statesofthebattery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.1.Depthofdischarge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.2.Stateofcharge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.3.Stateofenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.4.Stateofhealth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.5.Stateoffunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.6.Theoreticalgravimetriccapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.7.Practicalgravimetriccapacity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.8.Volumetriccapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.9.Specificcapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.10.Direct-currentinternalresistanceandshort-circuit
current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.11.ACinternalresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.12.Impedance,impedancemetry,impedance
spectroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.13.Storedenergyanddeliverableenergy . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.14.Gravimetricenergydensity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.15.Volumetricenergydensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.4.16.Specificenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.4.17.Gravimetricpowerandvolumetricpower. . . . . . . . . . . 65
2.5.Faradaicefficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.6.Self-discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7.Acceptancecurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.8.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.9.Appendix1:Nernst’slaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.9.1.Redoxpotentialofanelectrode. . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.9.2.Electromotiveforceofanelectrochemicalcell . . . . . . . . 70
2.9.3.Nernst’slaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.9.4.Activityofthespecies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.9.5.ExampleoftheapplicationofNernst’slawtoalithium
secondarybatteryusingtheinsertionmechanism . . . . . . . . . . 74
2.10.Appendix2:Doublelayer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.11.Appendix3:Warburgimpedance . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.12.SolutionstotheexercisesinChapter2. . . . . . . . . . . . . . 82
TableofContents vii
Chapter3.PracticalExamplesUsingElectrochemicalStorage. . . 89
3.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.1.1.Startercurrentsforinternalcombustionengines
incars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.1.2.Powerrequiredbyatelecommunicationstransceiver
inanisolatedsite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.3.Houseinanisolatedsite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.1.4.Currentsinanoperationalelectriccarbattery. . . . . . . . . 101
3.1.5.Currentsduringthephaseofrechargingofbatteries
inelectriccars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.1.6.Autonomousurbanlighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3.SolutiontotheexercisesinChapter3 . . . . . . . . . . . . . . . 110
PART2.LITHIUMBATTERIES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Chapter4.IntroductiontoLithiumBatteries. . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.Historyoflithiumbatteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2.Categoriesoflithiumbatteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3.Thedifferentoperationalmechanismsforlithium
batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.1.Intercalation(orinsertion)materials. . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.2.Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3.3.Directionconversionmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.4.Differencesofvoltageprofilesbetweenintercalation
materials,alloysandconversionmaterials . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.5.Propertiesoftheelectrodematerials. . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4.Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.4.1.Appendix1:Examplesofredoxcouples . . . . . . . . . . . . 131
4.4.2.Appendix2:Dendrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.4.3.Appendix3:Transitionmetals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Chapter5.TheBasicElementsinLithium-ionBatteries:
Electrodes,ElectrolytesandCollectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.Operationoflithium-iontechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.Positiveelectrodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.1.Lithiatedtransitionmetaloxides . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.2.Manganeseoxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3.3.Lithiatedironoxyphosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
viii LithiumBatteries
5.3.4.Crystallinestructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3.5.Masscapacities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.Negativeelectrodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.1.Carbonaceousmaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.4.2.Othercarbonaceousmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.4.3.Lithiumtitanateoxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.4.Electrochemicalpotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.4.5.Masscapacities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.5.Electrolyte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.5.1.Liquidelectrolyte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.5.2.Polymerelectrolyte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.6.Currentcollectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.7.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.8.SolutiontoexercisesinChapter5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Chapter6.UsualLithium-ionBatteries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1.Principleofoperationofconventionalassemblies
ofelectrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1.1.PrincipleofoperationofaC-LiMO element . . . . . . . . . 168
2
6.1.2.PrincipleofoperationofaC-LiCoO element. . . . . . . . . 168
2
6.1.3.PrincipleofoperationofaC-LiFePO element . . . . . . . . 171
4
6.1.4.PrincipleofoperationofaLi Ti O1 -LiMn O
4 5 2 2 4
element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.1.5.PrincipleofoperationofaLi Ti O -LiFePO
4 5 12 4
element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.Majorcharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.2.1.Voltageofanelement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.2.2.Usagefor“energy”or“power” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.2.3.Windowofvoltageexplored. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.2.4.Charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2.5.Safetymanagementincells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2.6.Internalfailures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.7.Operatingtemperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2.8.Self-discharge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2.9.Memoryeffect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.2.10.Commerciallyavailablecapacities . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.2.11.Dependencyofthecapacityonthedischarge
currentandthetemperature.Peukert’slaw. . . . . . . . . . . . . . . 190
6.2.12.Gauges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.2.13.Practicalgravimetricenergydensity . . . . . . . . . . . . . . 198
6.2.14.Practicalvolumetricenergydensity . . . . . . . . . . . . . . 202