NMC-aku

NMC-aku on liitiumioonaku, mille positiivne elektrood koosneb liitiumi, nikli, mangaani ja koobalti oksiididest. Nende oksiidide kombinatsiooni lühendina on kasutusel ka Li-NMC, LNMC ja NCM; neid lühendeid kasutavad eri tootjad selle akutüübi nimetustes. Kuna aku kuulub liitiumioonakude rühma, on vaadeldaval akuelemendil samasugune struktuur ja sama tööpõhimõte nagu kõigil liitiumioonakudel. Erinevus seisnebki peamiselt positiivse elektroodi keemilises koostises. NMC-akusid saab valmistada ka liitiumpolümeerakudena ja võimalikud on kõik levinud konstruktsioonivariandid.

NMC-liitiumioonaku talitluse põhimõte: liitiumi ioonid (punased) liiguvad laadimisel (rohelised nooled) grafiitelektroodile (–) ja tühjendamisel (punased nooled) NMC-elektroodile (+)

NMC-akuelemendi nimipinge jääb vahemikku 3,6 V kuni 3,7 V (sõltub oksiidikomponentide vahekorrast). Laadimispinge sõltub teatud määral elektrolüüdi koostisest ja on umbes 4,2 V. Konkreetse rakenduse jaoks vajaliku pinge, voolutugevuse ja võimsuse saamiseks ühendatakse NMC-elemendid järjestikku ja/või paralleelselt akupatareiks (inglise keeles battery pack).

Reaktsioonivõrrandid

Ni-Mn-Co-oksiidist elektrood moodustab aku positiivse pooluse (+) kõigis tööolekutes. Aku tühjendamisel (sellest voolu tarbimisel) toimub selle elektroodi oksiidides redutsiooniprotsess. NMC-elektrood on sel juhul katood ja reaktsioon on järgmine:

$\mathrm {Li} _{a-k}\mathrm {Ni} _{x}\mathrm {Mn} _{y}\mathrm {Co} _{1-x-y}\mathrm {O} _{2}+k\,\mathrm {Li} ^{+}+k\,\mathrm {e} ^{-}\xrightarrow {\;\quad } \,\mathrm {Li} _{a}\mathrm {Ni} _{x}\mathrm {Mn} _{y}\mathrm {Co} _{1-x-y}\mathrm {O} _{2}$, kus $k<1$.

Negatiivsel elektroodil toimub tühjendamisel süsiniku-liitiumiühendi oksüdatsioon ja seetõttu toimib see elektrood anoodina:

$\mathrm {Li} _{k}\mathrm {C} _{n}\,\xrightarrow {\;\quad } \,n\,\mathrm {C} +k\,\mathrm {Li} ^{+}+k\,\mathrm {e} ^{-}$, kus $n\geq 6$.

Laadimisel toimuvad mõlemad reaktsioonid elektroodidele rakendatud alalispinge mõjul vastupidises suunas.

Eelised

• Kuna koobalt ja selle oksiidid on suhteliselt kallid, siis on NMC-koostises koobalti osa suhteliselt väike, mis muudab ka akud odavamaks, võrreldes liitiumkoobaltoksiidakuga.
• Eri rakenduste jaoks on võimalik valida optimaalne oksiidide vahekord kas aku suure erivõimsuse (W/kg) või suure erienergia ehk energiatiheduse (Wh/kg) saamiseks.
• NMC-elemendid ja -patareid võivad olla väga vastupidavad ja pikaealised. Arvukatel testidel põhineval hinnangul võib autoga, millel on LiNi_0,5Mn_0,3Co_0,2O₂/grafiit koostisega NMC-aku, katta mitme tuhande laadimiskorra juures üle 1,6 miljoni kilomeetri. Mõned akutüübid sobivad ka kiirlaadimiseks.

Kasutamine

NMC-akud on kasutusel akutööriistades, elektrijalgratastes ja elektriautodes. NMC-akud paigaldati BMW ActiveE-sse 2011/2012 ja BMW i8-sse 2013. Alates 2020. aastast on NMC-akudega elektriautode hulgas Audi e-tron GE, Beijing Automotive Group 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 ja VW ID.3.

Tesla kasutab jalgratastes NCA-akusid. Nende liitiumioonakude positiivs elektroodi aktiivmaterjal koosneb liitiumi, nikli, koobalti ja alumiiniumi oksiidide komposiidist.

NMC-akusid kasutatakse toiteallikana ka mobiilsetes elektroonikaseadmetes, nagu mobiiltelefonid ja sülearvutid. Kui 2008. aastani kasutati peaaegu eranditult liitiumioonakusid, mille aktiivmaterjaliks oli liitiumkoobaltoksiid (LiCoO₂), siis tänaseks on NMC-st saanud peamine positiivse elektroodi aktiivmaterjal.

NMC-akude veel üks rakendusi on energia salvestamine elektrivõrgus. Näiteks Lõuna-Koreas paigaldati 2016. aastal kaks NMC-akudega salvestussüsteemi võrgusageduse reguleerimise süsteemi tarbeks: üks võimsusega 16 MW ja energiamahutavusega 6 MWh ning teine 24 MW võimsusega ja mahutavusega 9 MWh. Aastatel 2017/2018 paigaldati ja võeti Lääne-Austraalias kasutusele akusalvesti 30 MW (11 MWh).

Vaata ka

• LFP-aku