常見鋰（lǐ）電池類型以及主要性能參數

    常常（cháng）聽到（dào）有人說到三元鋰電池或者（zhě）鐵鋰電池（chí），這些都是按照正極活性材料來給鋰電池命名的。小編匯總常見鋰電池類型以及它們的主要性能參數。大家都知道，相同（tóng）技術路線的電芯，其具體參數並不完全相（xiàng）同，當前參數（shù）的一般水平。六種鋰（lǐ）電池具（jù）體包括：鈷酸鋰(LiCoO2)，錳酸鋰(LiMn2O4)，鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2或NMC)，鎳（niè）鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或稱NCA)，磷酸鐵鋰(LiFePO4)，鈦酸鋰(Li4Ti5O12)。

鈷酸鋰(LiCoO2)：

    其高比能量使鈷酸鋰成為手機，筆記本電腦和數碼相（xiàng）機的熱（rè）門選擇。電池（chí）由氧化鈷陰極和石墨碳陽極組成。陰極具有分層結構，在放電期間，鋰離子從陽極移動到陰極，充電過程則流動方向相反。結構形式如圖1所示。

陰極具有分層結（jié）構。在放電期間，鋰離子從陽極移動（dòng）到陰極;充電時流量從陰極流向（xiàng）陽極。

    鈷酸鋰的缺點是壽命相對較短，熱穩定性低和（hé）負（fù）載能力有限(比功率)。像其他鈷混合鋰離子電池一樣，鈷酸鋰（lǐ）采用石墨陽極，其循環壽命主要受到固體電（diàn）解質界（jiè）麵(SEI)的限（xiàn）製，主要表現在SEI膜（mó）的逐（zhú）漸增厚，和（hé）快速充電或者低溫充電過程的陽極鍍鋰問題。較新的材（cái）料（liào）體係增加了鎳，錳和/或（huò）鋁以提高壽命，負載能力和降低成（chéng）本。鈷酸鋰不應以高於容量的電流進行充電和放電。這意味著具有2,400mAh的18650電池隻能以小於等於2,400mA充電和放（fàng）電。強製快速充電或施加高於2400mA的負載會導致過熱和超負荷（hé）的應力。為獲得最佳快速充（chōng）電，製造商建（jiàn）議充電倍率為（wéi）0.8C或約2,000mA。電池保（bǎo）護電路將能量單元的充電（diàn）和放電速率（lǜ）限製在約1C的安全水平。六角蜘蛛圖(圖2)總結了與運（yùn）行相關的具體能量或容量方麵的鈷酸鋰性能;具體功率或提供大電流的能力;安全;在高低溫環境下的性能表現;壽命包括日曆壽命和循環（huán）壽命;成本特性。蜘蛛圖（tú）中沒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（yú）鈷的高成本以及通過與其他活性陰極材料混合材料（liào）帶來的明顯性能改善，鈷酸鋰正（zhèng）在逐（zhú）步被錳酸鋰替代，尤（yóu）其是NMC和NCA。(請參閱（yuè）下麵對NMC和（hé）NCA的描述。)

鈷酸鋰在高比能量方麵（miàn）表現出色，但在功率特性、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（de）材料研究報告中。1996年，Moli能源公（gōng）司（sī）將（jiāng）錳酸鋰（lǐ）為陰極材料的鋰離子電池商業化。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是熱穩（wěn）定性高，安全性提（tí）高，但循環和日曆壽命（mìng）有限。低電（diàn）池內阻可實現（xiàn）快速充電和大電流放電。18650型電芯（xīn），錳（měng）酸鋰電池可（kě）以在20-30A的電（diàn）流下放電，並具有（yǒu）適度的熱量積累（lèi）。也可以施加高（gāo）達（dá）50A1秒（miǎo）負載脈衝。在此電（diàn）流下持（chí）續（xù）的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，以及混合動力和純電動（dòng）汽車。圖4說明（míng）在錳酸（suān）鋰電池的陰極上形成三維（wéi）晶體骨架。該尖晶石結構通常由連接成晶格（gé）的菱形形狀組（zǔ）成，一般（bān）在電池化成後出現。

錳酸鋰陰（yīn）極結晶形成具（jù）有在（zài）化（huà）成後成型的三維骨架結（jié）構。尖晶石提供低電阻，但比能量低於鈷（gǔ）酸鋰。

    錳酸鋰的容量大約比鈷酸鋰低三分之一。設計靈活性使工程師能夠選（xuǎn）擇最大限度（dù）地延長電池的使用壽命，或者（zhě）提高最大負（fù）載電流(比功率)或容量(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理想，但新設計在（zài）功率（lǜ），安全性和壽命方麵有所改進。純錳（měng）酸鋰電池（chí）今（jīn）天不再普遍;它們（men）隻在特殊情況下（xià）應用。

盡管整體性能一般，但新型（xíng）錳酸（suān）鋰（lǐ）設計可（kě）以提（tí）高功率，安全性和壽命。

    大多數錳酸鋰與鋰鎳錳鈷氧（yǎng）化物(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，而大多數電動汽車，如日產（chǎn）Leaf，雪佛（fó）蘭（lán）Volt和寶馬i3都選用了LMO(NMC)。電池的LMO部（bù）分可以達到（dào）30%左右，可以在加速時提供較高的電流;NMC部分提供了很長的續（xù）航裏程。鋰離子電（diàn）池研究傾（qīng）向於將錳酸（suān）鋰與鈷，鎳，錳（měng）和/或鋁組合作為活性陰（yīn）極（jí）材料。在一些架構中，少量矽被添（tiān）加到陽極。這提供（gòng）了25%的容量（liàng）提升;然（rán）而，矽隨（suí）著充放電膨脹和收縮，從而引起機械應力，容（róng）量（liàng）提升通常與短的循環壽命緊密聯係。可以方便地選擇這三種活性金屬以及矽增強來提高比能(容量)，比功率(負載能力)或壽（shòu）命。消費電池需要（yào）大容量，而工業應用需要電池係（xì）統，具有良（liáng）好的負載能力，壽命長，並（bìng）提供安全可（kě）靠的服務（wù）。

鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2或（huò）NMC)：

    成功的鋰離（lí）子體係之一是（shì）鎳錳鈷(NMC)的陰極組合（hé）。與錳酸鋰類似，這個體係（xì）可以定製用作能量電池或功率電池。例如，中等負載條件下的18650電池中的NMC具有約2,800mAh的容（róng）量並且可以提供4A至5A放電電流;同一類型的（de）NMC在針對特定功率進（jìn）行（háng）優化時，容量僅為2,000mAh，但可提供（gòng）20A的連續放（fàng）電電流。矽基陽極將達到4000mAh以上，但負（fù）載能力（lì）降低，循環壽命縮短（duǎn）。添加到石（shí）墨中的矽具有缺陷，即陽極隨著充電和放電而膨（péng）脹和收縮，使得電池機械應力大結構（gòu）不穩定。NMC的秘密在（zài）於鎳和錳的結合。與此類似的是食鹽，其（qí）中（zhōng）主（zhǔ）要成分鈉和氯化物（wù）本身是有毒的，但（dàn）將它們混合起來作為（wéi）調味鹽和食品保存劑。鎳以其高比能量而聞名，但穩定性差;錳尖晶石結構可以實現低內阻但比能量低。兩種活（huó）性金屬優勢互補。NMC是電動工具，電動自行車和其他電動動力係統的首選電池（chí）。陰極組合通常是三（sān）分之一鎳，三分之一錳和三（sān）分之一鈷，也被（bèi）稱為1-1-1。這提供了一種獨特的混合物，由於鈷含量降低，也（yě）降（jiàng）低了原材料成本。另一（yī）個成功的組合是NCM，其中含有5份鎳，3份鈷和2份錳（měng）(5-3-2)。也可以使用其他不同量的陰（yīn）極材料組合。由於鈷的高成本，電池製造（zào）商從（cóng）鈷係轉向（xiàng）鎳陰極。鎳基係統比鈷基電池具有更高（gāo）的能量密（mì）度，更（gèng）低的成本和更長的循環壽命（mìng），但是它們的電壓略低。新型電解質和添加劑可以使單隻電池充電至4.4V以上，從而提（tí）高電量。圖7展示了NMC的特性。

NMC具有良好的整（zhěng）體（tǐ）性能，並且在比（bǐ）能（néng）量方麵表現出色。這種（zhǒng）電池是電動（dòng）車的首選，具有低的自熱率。

    由於該體係經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，錳和鈷三種活性材料可輕（qīng）鬆混合，以適應需要頻繁循環的（de）汽（qì）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。

磷酸鐵鋰(LiFePO4)：

    1996年（nián），德克薩斯大學發現磷酸鹽可作為（wéi）再充電鋰電池的陰極材料（liào）。磷酸鋰具有良好的電化學性能和低電阻。這是通過納米級（jí）磷酸鹽陰極材（cái）料實現的。主要優點是高額定（dìng）電流和長循環壽命;良好的熱穩定性，增強了安全性和對濫用的容忍度。如果長時間保持在高電壓下，磷酸鋰對全部充電條件的耐受性更（gèng）強，並且（qiě）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）壓使得比能量低於鈷摻雜鋰離子電池（chí）。對於大多數電（diàn）池來說，低溫會降（jiàng）低性能，升高儲存溫（wēn）度會縮短使用（yòng）壽命，磷酸鋰也不例外。磷酸鋰具有（yǒu）比其他鋰離子電池更高的自（zì）放電，這可能（néng）會引起老化進而帶來均衡問題，雖然可以通（tōng）過（guò）選用高質量的電池或使用先進的電池管理係統來（lái）彌補，但（dàn）這（zhè）兩種方式都增加了電（diàn）池（chí）組的成本（běn）。電池（chí）壽命對製造過程中的雜質非常敏感，不能承受水分的摻雜，由於（yú）水分雜質的存在有（yǒu）些電池最短壽命隻有50個循環。圖9總結了磷酸（suān）鋰的屬性。常用磷（lín）酸鋰代替鉛（qiān）酸起動蓄電池。四個串聯電池產生12.80V，與六個2V鉛酸電池串聯的電壓相似。車輛將鉛酸（suān）充電（diàn）至（zhì）14.40V(2.40V/電池（chí）)並保持浮充狀態。浮（fú）充的用意在於保持完全充（chōng）電水平並防止鉛酸電池硫酸化。通（tōng）過串聯四個磷酸鋰（lǐ）電池（chí），每個電池的電壓均為3.60V，這是正確的滿充電電壓。此時，應該（gāi）斷開充電，但駕駛時繼續（xù）充電。磷（lín）酸鋰容忍一些過度充（chōng）電;然而，由於大多數車輛在長途旅（lǚ）行中（zhōng）長時間保持電壓在（zài）14.40V，可能會增加磷酸鋰電池的機械應力。時間會告（gào）訴我們磷酸鋰作（zuò）為鉛酸電池的替代品（pǐn）能（néng）夠承受多長時間的過充電。低溫（wēn）也會降低鋰離子的性能，可能會影響極（jí）端情（qíng）況下的起（qǐ）動能力。

常見鋰電池特性及參數（shù）：

磷酸鋰具有良好的安全性和長壽命，比（bǐ）能量適中，自放電能力增強。

鎳鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或（huò）稱NCA)

    鎳鈷鋁酸鋰電池（chí）或（huò）NCA自1999年以後被應用。它具有較高的比能量，相當好的（de）比功率和長的使用壽命與NMC有相似之處。不太討人喜歡的是安全性和成本。圖11總結了六個關鍵特征。NCA是鋰鎳氧化（huà）物的進一步發展;加入鋁賦予電池更好的化學穩定性（xìng）。

高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為（wéi）EV動力係統的候選者（zhě）。高成本和邊際安全（quán）性卻有負麵（miàn）的影響。

鈦（tài）酸鋰(Li4Ti5O12)：

    自二十世（shì）紀八十年代以來，鈦（tài）酸鋰陽極的電池已為人所知。鈦酸鋰代替典型鋰離子電池陽極（jí）中的石墨，並且材料形成（chéng）尖晶石結構。陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸（suān）鋰的標稱（chēng）電池電壓為2.40V，可以快速充電，並提供10C的高放電電流。據說循環次數高於常規鋰離子電（diàn）池的循環次數。鈦酸鋰是安全的，具有出色（sè）的低溫放電特性，在-30°C(-22°F)時可獲得80%的容（róng）量。LTO(通常是Li4Ti5O12)零應變，沒有SEI膜形成（chéng）和在快速充電和低溫（wēn）充電時（shí）無鋰電鍍現象，因而具有優於傳統的鈷摻混的Li-離子（zǐ）與石墨陽極的充放電性能。高溫下的熱穩定性也比（bǐ）其他（tā）鋰離（lí）子體係好;然而，電（diàn）池價格昂貴。比能量低（dī），隻有65Wh/kg，與NiCd相當。鈦酸鋰充電至2.80V，放（fàng）電（diàn）結束時為1.80V。圖13顯示了（le）鈦（tài）酸鋰電池的（de）特性。典型用途（tú）是電動動力傳動係統，UPS和太陽能路燈。

鈦酸鋰在安全性，低溫性能和壽命方麵表現（xiàn）出色。正在努力提高比能量和（hé）降低成（chéng）本。

    比較了基於鉛，鎳和鋰體係的比能。雖然鋰鋁(NCA)通過比其他係統儲（chǔ）存（cún）更（gèng）多容量而（ér）成為明顯的贏家，但它僅適用於（yú）特定（dìng）場（chǎng）景的電源使用。就比功率（lǜ）和熱穩定性而（ér）言，錳酸（suān）鋰(LMO)和磷酸鋰(LFP)優異。鈦酸鋰(LTO)的容量可能較低，但它的壽（shòu）命超過了其他大（dà）多數電池，並且具有最佳（jiā）的低溫性能。