High Power High Energy

4 Volt

  Lithium Primary Cells

Herzel Yamin & Chen Menachem

Tadiran Batteries Ltd

IFCBC , 4/2/2010 TAU

Outline

סקירה ספרותית קצרה•

תאי ליתיום יון מבנה ועקרון פעולה-

תאי ליתיום יון היברידי עם תא ראשוני לפולסי זרם גבוהים -

שיקוע ליתיום מתכתי על ליתיום ועל מתכות אינרטיות -

– תאי ליתיום עשירי אנרגיה והספקTLMתאי •

מבנה ועקרון פעולה -

HP , MP , HEמשפחת מוצרים התאים -

להספקים גבוהים מאוד UHP מסוג TLM - תא

סיכום ומסקנות•

Li/Ion -Schematic RepresentationLi/Ion -Schematic Representation

TransitionMetal Oxide

Cathode

Graphite Anode Discharge

Charge

PulsesPlus System

+

Li/SOCl2 HLC PulsesPlus

A combination of primary and secondary cells which forms High Power-High Energy primary power source with synergistic effect.

The primary cells maximize the energy and the secondary cells maximize the power.

The cells are combined in a modular way to form a wide variety of efficient power sources having the energy, power and voltages tailored to specific market demands.

The Pulses PlusThe Pulses Plus™ Battery System ™ Battery System

Neptune – 1 cell and 1 HLC IBM 2 cells and 2 HLC’s

Kayser 9 cells and 3 HLC’s Oceanography 96 cells and 12 HLC’s

Modularity of PulsesPlusModularity of PulsesPlus

Pulse Plus Characteristics

• High energy density and high rate pulse

capability.

• High and stable operating voltage.

• Wide operating temperature range.

• Free from any passivation and TMV

problems.

• Long shelf life

• Safe as bobbin type Li/SOCl2 cell

Power Capability of AA Size HLC @ RT

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1 10 100 1000

Time mSec

Vo

ltag

e V

16A

8A

1.5A

0.5A

Voltage-time curves for AA cells after 128 months storage at RT

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1 10 100 1,000 10,000Time (mSec)

Vo

ltag

e, V

Li/SOCl2 at 10mA

PulsesPlus at 1000mA

Power Capability of AA HLC

0 5 10 15 20 25 302.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Time [minutes]

Vo

lta

ge [

V]

1A2A3.5A5A

3.9 Volt primary

HLC performance

Voltage stability at elevated temperature

Stability test for TL4902 + HLC1520A at 72 °C under 0.5 A, 1 second pulses once a week

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

0 10 20 30 40 50 60 70

Working Time, months

Vo

ltag

e V

OCV

CCV

HLC Development - Very High Power HLC

Pulse of 350mA at -40°C for HLC1520 at TC. potential

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 200 400 600 800 1000 1200

TIME, mSec.

VO

LTA

GE

,

V 1st generation 1998

“N “ type model 2001

“A “ type model 2003

”B” type model 2009

בעיית שיקוע ליתיום מתכתי

טוב SEIאיכות שיקוע ירודה של ליתיום מתכתי – אין

שיקוע על מתכות אינרטיות כמו ניקל או נחושת•

- מכוסות בשכבות פסיביות של תחמוצות .

- ליתיום מתחיל לשקוע רק לאחר תגובה עם הממס והיווצרות שכבה פסיבית שאינה מוליכה אלקטרונים

שיקוע ליתיום על ליתיום מתכתי מסחרי•

- מכוסה תמיד בשכבות פסיביות של אוקסידים, קרבונטים או נטרידים

טובה לשקוע איכותי של ליתיום על ליתיום SEI - דרושה שכבת מתכתי

- בתמיסת דיאוקסולן* נמצאה איכות שקוע טובה יחסית של ליתיום מתכתי

- דורון* פרופסור ותדיראן אילן בר משותפת עבודהאורבך

לקתודת* או יון ליתיום לתאי מתאים אינו מתחים חלוןNCA

The TLM System

• Tadiran’s Proprietary Innovative System

• Lithium is coated in situ on carbon electrode

• Coating thickness depends on ratio of cathode to carbon

Composite Coating Anode

Advantages• High anode capacity up to 3860mAh/gr vs. 372mAh/gr for graphite• Very thin Li coating can be obtained ( 1 µm or even thinner)• High anode mechanical strength• In situ coating

• General Characteristics - Independent 4 volt primary power source - High power capability - Low self discharge rate - Wide operating temperature range - High safety level• Designs: - HP , MP , HE & UHP• Applications: - High continuous current after long storage period

The TLM System

Experimental- TLM System

• 4.1 Volt Hermetically sealed primary cell • Design: AA size jelly roll internal

construction• Graphite & Lithium metal based anode • LiAlNiCoO2 based cathode • Micro porous Separator• Electrolyte : LiPF6 in carbonates mixture

Tadiran TLM Battery Series

Discharge curves for TLM1550 at 25 mA,RT

2.50

2.75

3.00

3.25

3.50

3.75

4.00

4.25

0 200 400 600 800 1000 1200

Capacity mAh

Vo

ltag

e

V

HE

MP

HP

Broaden of the TLM Products Line

New Member- High Energy High Power TLM 1550 HE Cell

1550HP 1550MP 1550HE

1 Ampere Discharge

Discharge Capability at RT

TLM 1550HP - Performance

Storage Test @ RT for TLM 1550HP

3.90

3.95

4.00

4.05

4.10

0 200 400 600 800 1000 1200

Time, days

OC

V

, VAverage self discharge current 0.6 µA

12 % capacity loss in 15 years

TLM - 1550 MP @ RT Discharge

Development of new TLM HE cell

Discharge curves for TLM1550HE at RT

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Capacity mAh

Vo

ltag

e

V

5A 1A 50mA 5 mA

Development of new TLM HE cell

Discharge curves for TLM1550 cells at 5A, RT after 21 days storage at 72 °C

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Capacity mAh

Vo

ltag

e

V

TLM1550HE

TLM1550HP

Much better in power capabilities compared to the HP cells

TLM 1550 HE @ 1A

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0 200 400 600 800 1000 1200

Capacity mAh

Vo

ltag

e V

-20 °C 0 °C 22 °C 85 °C

Discharge curves at various temperatures

Ultra High Power TLM Cell

TLM 1550 UHP

TLM 1550 UHP

Discharge curves for TLM 1550 UHP at RT

2.50

2.75

3.00

3.25

3.50

3.75

4.00

4.25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Capacity mAh

Vo

ltag

e

V

0.25A

2.5A

25A

New R&D Member AA UHP cell

Temperature( º C)

Current ( Ampere)

Capacity( mAh)

25 º C 20380

-20 º C6360

-40 º C3330

Cell capacity at various currents and temperatures

Rate Capability of UHP AA Cell

20A @ RT

6A @ -20º C

3A @-40ºC

Thank You