常見鋰電池類型以及主要性能參數（shù）

    常常聽到有人說到三元鋰電池或者鐵鋰電池，這些都（dōu）是按照正極活性（xìng）材料來給鋰電池命名（míng）的（de）。小編匯總常見鋰電（diàn）池類型以及它們的主要（yào）性能參數。大（dà）家都知（zhī）道，相同技術路線的電芯，其具（jù）體（tǐ）參數（shù）並不完（wán）全相同，當前（qián）參數的一般水平。六種鋰電池（chí）具體（tǐ）包括：鈷酸鋰(LiCoO2)，錳酸鋰(LiMn2O4)，鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2或NMC)，鎳鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或稱NCA)，磷酸鐵鋰(LiFePO4)，鈦酸鋰(Li4Ti5O12)。

鈷酸鋰(LiCoO2)：

    其高（gāo）比能量使（shǐ）鈷酸鋰成為手機，筆記本（běn）電腦和（hé）數碼（mǎ）相（xiàng）機的熱門選擇。電池由氧化鈷陰（yīn）極和石墨碳陽極組成（chéng）。陰極具有分層結構，在放電期間，鋰離子（zǐ）從陽極移動到陰極，充電過程則流動方向相反。結構形（xíng）式如圖1所示。

陰極具（jù）有分（fèn）層結（jié）構。在放電（diàn）期（qī）間，鋰離子從陽（yáng）極移動到陰極;充電時流量從陰極流向陽極。

    鈷酸鋰的缺點是（shì）壽命相對較短，熱穩定性低（dī）和負載能力有限(比功率)。像其他鈷混（hún）合鋰離子電池一樣，鈷（gǔ）酸鋰采用石墨陽極，其循環壽命主要受（shòu）到（dào）固體電解質界麵(SEI)的限製，主要表現在SEI膜的逐漸增厚，和快速充電或者低溫（wēn）充電過（guò）程的陽極鍍鋰問題。較新的（de）材料體係增加了鎳，錳和/或鋁以提高壽命，負載能力和降低成本。鈷（gǔ）酸鋰不（bú）應（yīng）以高於容量的電（diàn）流進行（háng）充電和放電。這意味著具有2,400mAh的18650電池隻能以小於等於（yú）2,400mA充電和放電（diàn）。強製快速充電（diàn）或施加高於2400mA的負載會導致過熱（rè）和超負荷的應力。為獲（huò）得最佳快速充電，製造（zào）商建議充電倍率（lǜ）為0.8C或約2,000mA。電池（chí）保護電路（lù）將能量單元的充電和放電速率限製在約1C的（de）安全水平。六角蜘蛛圖(圖2)總結了與運行相關（guān）的具體能量或容量（liàng）方麵的鈷酸（suān）鋰性能;具體功率或提供大電流的能力;安全;在高低溫環（huán）境下（xià）的性能表現;壽命（mìng）包括日曆壽命和循環壽（shòu）命（mìng）;成本特性。蜘蛛圖中沒（méi）有顯示的其他重要特征還包括毒性，快速充電能力，自放電和保質期。由於鈷的高（gāo）成本以及通過與其他活性（xìng）陰極材料混合材料帶來的明顯性能（néng）改善，鈷酸鋰正在逐步被錳酸（suān）鋰替代，尤其是NMC和NCA。(請參閱下（xià）麵對NMC和NCA的描述（shù）。)

鈷（gǔ）酸鋰在高比能量方麵表現出色，但在（zài）功率特性、安全性和循環壽命方麵隻能提供一般的性能表現

錳酸鋰(LiMn2O4)：

    尖晶石（shí）錳酸鋰電池首次發表於1983年的材料研（yán）究報告中。1996年，Moli能源公司將錳酸鋰為陰（yīn）極材料的（de）鋰離子電池商（shāng）業化。該架構形成三維尖晶石結構，可改善電極上的離子流動，從而（ér）降低內部（bù）電阻並改善電流承載能力。尖晶石的另一個優點（diǎn）是熱穩定性高，安全性提（tí）高，但循環和日曆（lì）壽命有限。低電池內阻可實現快速（sù）充電和大電流放電。18650型電芯，錳酸鋰電池（chí）可（kě）以在20-30A的電流下放電（diàn），並具有（yǒu）適度的熱量積累。也可以施加高達（dá）50A1秒負載脈衝。在（zài）此電流下（xià）持續的（de）高負荷會導致熱量積聚，電池溫度不能超過80°C(176°F)。錳酸鋰用於電動工具，醫療器械，以及混合動（dòng）力和純電（diàn）動汽車（chē）。圖4說明在錳酸鋰電池的陰極上形成三維晶體骨架。該尖晶石結構通常由連接成晶格的菱形形狀組成，一般在電池化成（chéng）後出現。

錳酸鋰陰極結晶形成具有在化成後成型（xíng）的三維（wéi）骨（gǔ）架結構。尖（jiān）晶石提（tí）供低電（diàn）阻，但比能量低於鈷酸鋰。

    錳酸鋰的容量大（dà）約（yuē）比鈷酸鋰低三分之一。設計靈活性使工程師能夠選擇最大限度（dù）地延長電池的使用壽命，或者提高最大負（fù）載電流（liú）(比功率)或容量（liàng）(比能)。例如，18650電池的長壽命版本隻有1,100mAh的適中容量;高容量版本則（zé）達到1,500mAh。圖5顯示了典型錳酸鋰電池的（de）蜘蛛圖。這些特性參數似乎不太（tài）理想，但新設計在（zài）功率，安全性和壽命方麵（miàn）有所改進。純錳酸鋰（lǐ）電池今天不再普遍;它們隻在特殊情況下應（yīng）用。

盡（jìn）管整體性能一般，但新型錳酸鋰設計可以提高功率，安全性（xìng）和壽命。

    大（dà）多數錳酸鋰與鋰鎳錳鈷氧化（huà）物(NMC)混合，以提高比能量並延長壽命。這種組合帶來了每個係統的最佳性能，而大（dà）多數電動汽車（chē），如日產Leaf，雪佛蘭（lán）Volt和寶馬i3都選用了LMO(NMC)。電池的（de）LMO部分可以達到30%左右，可（kě）以在加速時提（tí）供較高的電流;NMC部分提供了很長（zhǎng）的續（xù）航裏程。鋰離子電池研究傾向於將錳酸鋰（lǐ）與鈷，鎳，錳和/或鋁組合作為活性陰極材料。在一些架構中，少量矽被添加到陽極。這提供了25%的容量提升;然而，矽隨著（zhe）充放電膨脹和收縮，從而引起機械應力，容量提升（shēng）通常與短的循環壽（shòu）命緊密聯係。可以方便地選擇（zé）這三種活性金屬以及矽增強來提高比（bǐ）能(容量)，比功率(負載能力（lì）)或壽命。消費電池需（xū）要大（dà）容（róng）量，而工業應用需要電池係統，具有良好的負載（zǎi）能力，壽命（mìng）長，並提供安全可靠的（de）服務。

鎳鈷錳酸（suān）鋰(LiNiMnCoO2或NMC)：

    成功的（de）鋰離子體（tǐ）係之一是鎳錳鈷(NMC)的陰極組合（hé）。與錳酸鋰類似，這個體係可以定製用作能量電池（chí）或功率電池（chí）。例如，中等負載條件下的18650電（diàn）池（chí）中的NMC具有約（yuē）2,800mAh的容量並且可以（yǐ）提（tí）供4A至5A放電電流;同一（yī）類型的NMC在針對特定功率進（jìn）行優化時，容量僅為2,000mAh，但可（kě）提供20A的連續放電電（diàn）流。矽基陽極將達到4000mAh以上，但負載能力降低，循環壽命縮短。添加到石墨中的矽具有缺陷（xiàn），即（jí）陽極隨著充電和放電而膨脹和收縮，使得電池機械應（yīng）力大（dà）結（jié）構不穩定。NMC的秘密在於鎳和錳的結合。與此類似的是食鹽，其（qí）中主要成分（fèn）鈉和（hé）氯化物本身是（shì）有毒的，但將它們（men）混合起來作為調味鹽和食品保存劑（jì）。鎳以其高比能量而（ér）聞名（míng），但穩定性差;錳尖晶石結構可以實現低內阻但比（bǐ）能量低。兩種活性金屬優勢互補。NMC是電動工具，電（diàn）動自行車和其他電動動力係統的首選電池。陰極組合通常是三分之一鎳，三（sān）分之（zhī）一錳和三分之一鈷，也（yě）被稱為1-1-1。這提供了一種獨特的混合（hé）物，由於鈷含量（liàng）降低，也降低了原材料成本。另一個（gè）成功的組合是NCM，其（qí）中含有5份鎳，3份鈷和2份錳（měng）(5-3-2)。也（yě）可以使用其他不（bú）同量的陰極材料（liào）組合。由於鈷的高成本，電池製造商從鈷係轉向（xiàng）鎳陰極。鎳基係統比鈷基（jī）電池（chí）具有（yǒu）更高的能量密度（dù），更低的成（chéng）本和更長的（de）循環（huán）壽命（mìng），但（dàn）是它們的電壓略低（dī）。新型電解質和添加劑可以使單隻電池充電至4.4V以上，從（cóng）而提高電量。圖7展示了NMC的特性。

NMC具有良好的（de）整體（tǐ）性能，並（bìng）且在比能量方（fāng）麵（miàn）表現出色。這種電池是電動車（chē）的首選，具有低（dī）的自熱率。

    由於該體係經（jīng）濟性和綜合性能表現均比較好，因此NMC混合鋰離子電池越來越受到重視。鎳，錳和鈷三（sān）種活性材料可輕鬆（sōng）混合，以適應需要（yào）頻（pín）繁循環的汽車和能源存儲係統(EES)的廣泛應用。NMC家族的多樣性正在增長。

磷酸（suān）鐵鋰(LiFePO4)：

    1996年，德克薩斯大學發現磷酸鹽可作為（wéi）再充電鋰電池（chí）的陰極材料。磷酸鋰具有良好的電化學性能和（hé）低電阻。這是通過納米級磷酸鹽陰極材料實現的。主要優點是高額定（dìng）電（diàn）流和長循環壽命;良好（hǎo）的熱穩定性，增強了安全性和對濫用的容忍度。如（rú）果長時間保持在（zài）高電壓下，磷酸（suān）鋰對全部（bù）充電條件的（de）耐受性更強，並且比其他鋰離子係統的應力更小。缺點是，較低的3.2V電池標稱電（diàn）壓使得比能量（liàng）低於鈷摻雜（zá）鋰離子電池。對於大多數電池來說（shuō），低溫會降低性能，升高儲（chǔ）存溫度會縮短使用壽命，磷酸鋰也不例外。磷酸鋰具有比其他鋰離子電池更（gèng）高的自放電，這可能（néng）會引起（qǐ）老化進而帶來均衡問題，雖然可以通過選用高質量的電（diàn）池或使用先進的電池（chí）管（guǎn）理（lǐ）係統來（lái）彌補，但這兩種方式都增加了電池組的成本（běn）。電池壽命對製造過程中的雜質（zhì）非常敏感，不能承受水分的摻雜，由於水分雜質的存在有些電池（chí）最短壽命隻有50個循環。圖9總結了磷（lín）酸鋰的屬性。常用磷酸鋰代替（tì）鉛酸起（qǐ）動蓄電池。四個串聯電池產生12.80V，與六個2V鉛酸電（diàn）池串聯（lián）的電壓相似。車輛將鉛酸充電至14.40V(2.40V/電池)並（bìng）保持浮充狀態。浮充的用意在於保持完全充電水平（píng）並防止鉛酸電池硫酸化。通過（guò）串聯（lián）四個磷酸鋰電池，每個電池的電壓均為（wéi）3.60V，這是正確的滿充電電壓。此時，應該（gāi）斷開充電，但駕駛時（shí）繼續充（chōng）電。磷酸鋰容忍一些過度充電;然而，由於大多數車輛在長（zhǎng）途旅行中長（zhǎng）時間保持電壓在14.40V，可能會增加磷酸鋰電池的機械應力。時間會（huì）告（gào）訴我們磷酸鋰作為鉛酸電池的替代品能夠（gòu）承受多長時間的過充電。低溫也會降低鋰離子的性能，可能會影響極端情況下的（de）起動能力。

常見鋰電池（chí）特性及參數：

磷酸鋰具（jù）有良好的安全性和長壽命，比（bǐ）能量適中，自放電能力增（zēng）強。

鎳鈷鋁酸鋰（lǐ）(LiNiCoAlO2或稱NCA)

    鎳鈷鋁酸鋰電池或NCA自1999年以後被應用。它具有（yǒu）較高的比（bǐ）能量，相當好的比功（gōng）率和（hé）長的使用壽命與NMC有相似之處。不太討人喜歡的是（shì）安全性和成本。圖11總結了六個關鍵特征（zhēng）。NCA是鋰鎳（niè）氧化物的進一步發（fā）展;加入鋁賦予電池更好的化學穩定性。

高能量和功率密度以及良好的（de）使用（yòng）壽命使NCA成為EV動力（lì）係（xì）統的候選者。高成（chéng）本和（hé）邊（biān）際安全性卻有負麵的影（yǐng）響。

鈦酸（suān）鋰(Li4Ti5O12)：

    自二（èr）十世紀八十年代以（yǐ）來，鈦酸鋰陽極的電池已為人所知。鈦酸鋰代替（tì）典型鋰離子電池陽極中的石墨（mò），並且材料形成尖晶石結構。陰（yīn）極（jí）可以是錳酸鋰或NMC。鈦（tài）酸鋰的標稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，並提供10C的高放電電（diàn）流。據說循環次數高於常規鋰離子電池的循環次數。鈦酸鋰是安全的，具有出色的低溫放電（diàn）特性，在-30°C(-22°F)時可獲得80%的容量。LTO(通常是Li4Ti5O12)零應變，沒有SEI膜形成和（hé）在（zài）快速充電和（hé）低溫充電時無鋰電鍍現象，因而具有優於傳統的鈷摻混的Li-離子與石墨陽極的充放電性能。高溫下的熱穩定性也比其他鋰離子體係好（hǎo）;然而，電池（chí）價格昂貴。比能量低，隻（zhī）有65Wh/kg，與NiCd相當。鈦酸鋰（lǐ）充電至（zhì）2.80V，放電結束時為1.80V。圖13顯示了鈦酸鋰電池的特性。典型用途是電動動力傳動（dòng）係統，UPS和（hé）太陽能路燈。

鈦酸鋰在安全性，低溫性能和壽命方（fāng）麵表現（xiàn）出色。正在努力提高比（bǐ）能量和降低成本。

    比較（jiào）了基（jī）於鉛，鎳和鋰（lǐ）體係的比能。雖然鋰鋁（lǚ）(NCA)通過比其他（tā）係統儲存更多容量而成為明顯的贏家，但它僅適用於特定場景的電（diàn）源使（shǐ）用。就比功率和熱穩定性而言，錳酸鋰(LMO)和磷酸鋰(LFP)優異。鈦酸鋰(LTO)的容量可能較低，但它的壽命超（chāo）過了其他大（dà）多數電池，並且具有最佳（jiā）的低溫性能。