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Lithium Batteries and Other Electrochemical Storage Systems PDF

374 Pages·2013·8.161 MB·English
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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 permittedundertheCopyright,DesignsandPatentsAct1988,thispublicationmayonlybereproduced, storedortransmitted,inanyformorbyanymeans,withthepriorpermissioninwritingofthepublishers, or in the case of reprographic reproduction in accordance with the terms and licenses issued by the CLA. Enquiries concerning reproduction outside these terms should be sent to the publishers at the undermentionedaddress: ISTELtd JohnWiley&Sons,Inc. 27-37StGeorge’sRoad 111RiverStreet LondonSW194EU Hoboken,NJ07030 UK USA www.iste.co.uk www.wiley.com ©ISTELtd2013 TherightsofChristianGlaizeandSylvieGenièstobeidentifiedastheauthorsofthisworkhavebeen assertedbytheminaccordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988. 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

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