常見（jiàn）鋰電池類型以及主要性能參（cān）數

    常常聽到有人說（shuō）到三元鋰電池或者（zhě）鐵鋰電池，這些都是按照正極活性材（cái）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，相同技術路線（xiàn）的電芯，其具（jù）體參數並不完全相同，當前參數的一般水（shuǐ）平。六種鋰電池具體包括：鈷（gǔ）酸鋰(LiCoO2)，錳（měng）酸鋰(LiMn2O4)，鎳（niè）鈷錳酸（suān）鋰(LiNiMnCoO2或NMC)，鎳鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或（huò）稱NCA)，磷酸鐵（tiě）鋰(LiFePO4)，鈦酸（suān）鋰(Li4Ti5O12)。

鈷（gǔ）酸鋰(LiCoO2)：

    其（qí）高比能量使鈷酸（suān）鋰成為（wéi）手（shǒu）機，筆記本電腦和數碼相機的熱門選擇。電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽極組成。陰極具有分層（céng）結構，在放電（diàn）期間，鋰離子（zǐ）從陽極移動到（dào）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（céng）結構。在放電期間，鋰離（lí）子從陽極移動到陰極;充電時流量從陰極流向陽極。

    鈷（gǔ）酸鋰（lǐ）的缺點是壽命相對較短，熱穩（wěn）定（dìng）性低和負載能力（lì）有限(比功率)。像其他（tā）鈷混（hún）合鋰（lǐ）離子電池一樣，鈷酸鋰采用石墨陽極，其循環壽命主要受到固體電解質界麵(SEI)的（de）限製，主要表（biǎo）現（xiàn）在SEI膜的逐漸增厚（hòu），和快速充電或者低溫充電過程的陽（yáng）極鍍鋰（lǐ）問題。較新（xīn）的材料體係增加了鎳，錳和/或鋁以提高壽命，負載能力和降低（dī）成本。鈷酸鋰不應以高於容量的（de）電流進行充電（diàn）和放電。這意味著具有2,400mAh的18650電池隻能以小於等於2,400mA充電和放電。強製（zhì）快速充電或施加高於2400mA的負載會導致過熱和超負荷的應力。為獲得最佳快速充電，製造商（shāng）建議充電倍率為0.8C或約2,000mA。電池（chí）保（bǎo）護（hù）電路將能量單元的充電（diàn）和放電速率限製在約1C的安全水平。六角蜘蛛圖(圖2)總結了與運行相關的具（jù）體能量（liàng）或容量方麵的（de）鈷酸鋰性能;具體功率或（huò）提供大電流的能力;安全;在高低溫環（huán）境下的性能表現;壽命包括日曆壽命和循環壽命;成本（běn）特性。蜘蛛圖中沒有顯示（shì）的其他重要特征還包括毒性（xìng），快速（sù）充電能力，自放電和保（bǎo）質期。由於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（míng）顯性能改善，鈷酸鋰正在逐步被錳酸鋰替代，尤其是NMC和NCA。(請（qǐng）參閱下麵對NMC和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（ān）全性和循環壽命方麵隻能提供一般（bān）的性能表現

錳酸鋰(LiMn2O4)：

    尖晶石錳酸鋰電池首次發（fā）表於1983年的材料研究報告中。1996年，Moli能源公司將錳酸鋰（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（nèi）部電阻並改善電流承載能力。尖（jiān）晶石的另一（yī）個優點是熱穩定性高，安全性提高，但循環和日曆壽命有限。低電池內阻可實（shí）現快速充電和大電流（liú）放電。18650型電芯，錳酸鋰（lǐ）電池可以在20-30A的電流下放電，並具（jù）有適度的熱量積累。也可以施加高達50A1秒負載脈衝。在此電流下持續的高負荷會導致熱量（liàng）積聚，電池溫度不（bú）能超過80°C(176°F)。錳（měng）酸（suān）鋰用於電動工具，醫療器械，以及混（hún）合動力和純電動汽（qì）車。圖4說（shuō）明在（zài）錳酸鋰（lǐ）電池的陰極上形成三維晶（jīng）體骨架。該尖晶石結構通（tōng）常由連接成晶格的菱形形（xíng）狀組成，一般在電池化成（chéng）後（hòu）出現。

錳酸鋰陰極結晶形成具有在（zài）化成後成型的三維骨架結構。尖晶石提供（gòng）低（dī）電阻，但（dàn）比（bǐ）能量低於鈷酸鋰（lǐ）。

    錳酸鋰的容量大約比鈷（gǔ）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，或者提高最大負載電流(比功率)或容量(比能)。例如，18650電池的（de）長壽命版本隻有1,100mAh的適中容量;高（gāo）容量版（bǎn）本（běn）則達（dá）到1,500mAh。圖5顯（xiǎn）示（shì）了典型錳酸鋰電池的蜘蛛圖。這些特性參數似乎不太理想，但新設計在功率，安（ān）全性和壽命方麵有所改進。純錳酸鋰電池今天不再普遍;它們隻在特殊情況下應用。

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

    大多數（shù）錳酸鋰與鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)混合，以提高比能量並延長壽命（mìng）。這種組合帶來了每個係（xì）統的最佳性能，而（ér）大多數電動汽車，如日產Leaf，雪（xuě）佛蘭Volt和（hé）寶馬i3都選用了LMO(NMC)。電池的LMO部分可以達到30%左（zuǒ）右，可以在加速（sù）時提供較高的電流;NMC部分提（tí）供了很長的續航裏（lǐ）程。鋰離子電池研究傾向於將錳（měng）酸鋰與鈷，鎳，錳和/或鋁組（zǔ）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，矽隨著充放電膨脹和收縮，從而引起機（jī）械應力，容量提升（shēng）通（tōng）常與短的循環壽命緊密聯係。可以方便地選擇這（zhè）三種活性金（jīn）屬以及矽增強來提高比能（néng）(容量)，比功率（lǜ）(負（fù）載能力)或壽命。消費電池需要大容（róng）量，而（ér）工業（yè）應用（yòng）需要電池係統，具有良好的負載能（néng）力，壽命長，並提供安全可靠的服務。

鎳鈷（gǔ）錳酸鋰(LiNiMnCoO2或NMC)：

    成功（gōng）的鋰離子體係之一是鎳錳鈷(NMC)的陰極組合。與錳酸鋰類似，這個體係可以定製用（yòng）作（zuò）能量電池（chí）或功率電池。例（lì）如，中等負載條件下的18650電池中的（de）NMC具有約2,800mAh的（de）容量並（bìng）且可以提供4A至（zhì）5A放電電流;同一類型的NMC在針對特定功率進行優化時，容量僅（jǐn）為2,000mAh，但可提供20A的（de）連續放電電流。矽基陽極（jí）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，即陽極（jí）隨著（zhe）充電和放電而膨脹和收縮，使得電池機械應力大結構不穩定。NMC的秘密在於鎳和錳的結合。與此類似的是食鹽，其中主要成分鈉和氯化物（wù）本身是有毒的，但將它們混合起來作為調味鹽和食（shí）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（bǐ）能量低。兩種活性金（jīn）屬優勢互補。NMC是電動工具，電動自行車和其他電動動力係（xì）統（tǒng）的首選電池。陰極組合通常是三（sān）分之一鎳，三分之一錳和三分之一鈷，也被（bèi）稱為1-1-1。這（zhè）提供（gòng）了一種獨特的混合物，由於鈷含量降（jiàng）低，也降低了原（yuán）材料成本。另一個成功的組合是NCM，其中含有5份鎳，3份鈷和2份錳(5-3-2)。也可以使用其他不同量的陰極材料組合。由於鈷的高成本，電池製造商從（cóng）鈷係轉向（xiàng）鎳陰極。鎳基係統比鈷基電池（chí）具有更高的（de）能量密度，更低的成本和更長的循環壽（shòu）命（mìng），但（dàn）是它們的（de）電壓（yā）略低。新型電解質和添加劑（jì）可以使單隻電池（chí）充電至4.4V以上，從而提高電量。圖7展示了NMC的特性。

NMC具有良好的整體性能，並且在比能量方麵表現出色。這種（zhǒng）電池是（shì）電動車的首選，具有低的自（zì）熱率。

    由於該（gāi）體係經濟性和綜合性能表現（xiàn）均比較好，因此NMC混合鋰離子（zǐ）電池越來越受（shòu）到重視。鎳，錳和鈷三種活性材料（liào）可輕鬆混合，以適應需要頻（pín）繁循環的汽（qì）車和能源存儲（chǔ）係統(EES)的廣泛應用。NMC家族的多樣性正在增長（zhǎng）。

磷酸鐵鋰(LiFePO4)：

    1996年，德克薩斯大學發現磷酸鹽可作為再充電鋰電池的（de）陰極材料。磷酸鋰具有良好的電化學性能和低電阻。這是通過納米級磷酸鹽陰極材（cái）料實現的。主要優點是（shì）高額定電（diàn）流和長循環壽命;良好的熱穩定性（xìng），增強了安全性和對濫用的容（róng）忍度。如（rú）果長時（shí）間保（bǎo）持在高電壓下，磷酸鋰對全部充電條件的耐受（shòu）性更強，並且比其他鋰離子係統的應力更小（xiǎo）。缺點（diǎn）是，較低的（de）3.2V電池標稱電（diàn）壓使得比能量低於鈷摻雜鋰離子（zǐ）電池（chí）。對於大多數電池來說，低溫會降低性能，升高儲存溫（wēn）度會縮短使（shǐ）用（yòng）壽命（mìng），磷酸鋰也不例外。磷酸鋰具有比其他鋰（lǐ）離子電池更高的自放電，這（zhè）可能會引起（qǐ）老（lǎo）化（huà）進（jìn）而帶來（lái）均衡問（wèn）題，雖然可以通過選用高質量的電池或使用（yòng）先進的電池管理係統來彌補（bǔ），但（dàn）這兩種方式都增加了電池組的（de）成本。電池壽命對製造過程中的雜質非（fēi）常敏感，不（bú）能承受水分的摻雜，由於水分雜質的存在有些電（diàn）池最短壽命隻有50個循環。圖9總結（jié）了磷酸（suān）鋰的屬性。常用磷（lín）酸鋰代替鉛酸起動蓄電池。四個串聯電池產生12.80V，與六（liù）個2V鉛酸電池串聯的電壓相似（sì）。車輛將鉛酸充電至14.40V(2.40V/電池)並保持浮充狀態。浮充（chōng）的（de）用意在於保持完全充電水平並防止鉛酸電（diàn）池（chí）硫酸化。通過串聯四個磷酸鋰電池，每個電池的電壓（yā）均為3.60V，這是正確的滿充電電壓。此時，應該斷開充電，但駕駛時繼續充電。磷酸鋰容忍一些過度充電（diàn）;然而，由於大多（duō）數車輛在長途旅行中長時間保持電壓在14.40V，可能會增加磷酸鋰電池的機械應力。時間會告訴我們磷酸鋰作為鉛酸電池的替代品能夠承受多長時（shí）間的過充電。低（dī）溫也（yě）會降低鋰離子的性能，可能會（huì）影響極端情況下的起動能力。

常見鋰電池特性及參數：

磷酸鋰具有良好的安全性和長壽（shòu）命，比能量適中，自放電能力增強。

鎳鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或稱（chēng）NCA)

    鎳鈷鋁酸鋰電池或NCA自1999年以後被應用。它具有較高的（de）比能（néng）量，相當好的比功率和（hé）長的使（shǐ）用壽（shòu）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（jié）了六個關（guān）鍵特征。NCA是鋰鎳氧化物的進一步發展;加入鋁賦予（yǔ）電池更好的化學穩定性。

高能量和功（gōng）率（lǜ）密度以及（jí）良好（hǎo）的（de）使用壽命使NCA成為EV動力係統（tǒng）的候選者。高成本和邊際（jì）安全性卻有負麵的影響。

鈦酸鋰(Li4Ti5O12)：

    自二十世紀八十年（nián）代以來，鈦酸（suān）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中的石墨（mò），並且材（cái）料形成尖晶石結構。陰（yīn）極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的標稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，並提供（gòng）10C的高放電電流。據說循環次（cì）數高於常規鋰離子電池（chí）的循環次數。鈦酸鋰是安全的，具有出色的低溫放電特性，在-30°C(-22°F)時可獲得80%的容量。LTO(通常是Li4Ti5O12)零應變（biàn），沒有SEI膜形成和（hé）在快速充電和低溫充電時無鋰電鍍現象，因而具有優於傳統（tǒng）的鈷摻混的Li-離子與石墨陽極的充放（fàng）電性能。高溫下的熱穩定性也（yě）比（bǐ）其（qí）他鋰（lǐ）離子體係（xì）好;然而，電池價格昂貴。比能量低，隻有65Wh/kg，與NiCd相當。鈦酸鋰充電至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（miàn）表現（xiàn）出色。正在努力提（tí）高比能量和降低成本。

    比較了基於鉛，鎳和鋰（lǐ）體係的（de）比能。雖然鋰鋁(NCA)通過比其他係統儲存更多容量而成為明顯的贏家，但它僅適用（yòng）於特定場景的電源使用。就比功率和（hé）熱（rè）穩定性而言，錳酸鋰(LMO)和磷酸鋰(LFP)優異。鈦酸鋰(LTO)的容（róng）量可能較（jiào）低，但它的壽命超過了其他大多數電池，並且具有最佳的（de）低溫性（xìng）能。