鋰離子電池分哪幾類？鋰離子電池的類型介紹
本文來源batteryuniversity，幫助你熟悉不同類型的鋰離子電池。
鋰離子電池以其活性材料而得名；單詞全部用化學符號縮寫。串在一起的一系列字母和數(shù)字可能很難記住，甚至更難以發(fā)音，并且電池化學成分也以縮寫字母標識。
例如，最常見的鋰離子之一的鈷酸鋰鋰的化學符號為LiCoO2和縮寫LCO。為簡單起見，也可將短型鋰鈷電池用于此電池。鈷是賦予這種電池特性的主要活性材料。其他鋰離子化學名稱也有相似的簡稱。本文列出了六種最常見的鋰離子電池類型。所有讀數(shù)均為撰寫本文時的平均估計值。
氧化鈷鋰（LiCoO2）—LCO
鈷酸鋰的高比能量使其成為手機，筆記本電腦和數(shù)碼相機的流行選擇。該電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽極組成。陰極具有層狀結構，并且在放電期間，鋰離子從陽極移動到陰極。電荷反向流動，鈷酸鋰的缺點是使用壽命相對較短，熱穩(wěn)定性低以及負載能力（比功率）有限。圖1說明了該結構。
圖1：鋰鈷結構。 陰極具有層狀結構。在放電過程中，鋰離子從陽極移動到陰極。電荷流從陰極到陽極。 資料來源：Cadex
鈷酸鋰的缺點是使用壽命相對較短，熱穩(wěn)定性低以及負載能力（比功率）有限。像其他鈷混合鋰離子一樣，鋰鈷具有石墨陽極，該陽極通過改變固體電解質界面（SEI），在陽極上增稠和鍍鋰，同時在低溫下快速充電和充電來限制循環(huán)壽命。較新的系統(tǒng)包括鎳，錳和/或鋁，以提高使用壽命，裝載能力和成本。
鋰鈷不應以高于其C額定值的電流進行充電和放電。這意味著具有2400mAh的18650電池只能以2400mA進行充電和放電。強制快速充電或施加高于2,400mA的負載會導致過熱和過度應力。為了獲得最佳的快速充電，制造商建議C速率為0.8C或2,000mA。（什么是電池C速率）。強制性電池保護電路將能量電池的充電和放電速率限制在大約1C的安全水平 。
六角形蜘蛛圖形（圖2）根據(jù)與運行時間相關的比能量或容量總結了鋰鈷的性能。比功率或輸送大電流的能力；安全; 性能在高溫和低溫下；壽命反映了循環(huán)壽命和壽命；和費用。蜘蛛網(wǎng)中未顯示的其他令人感興趣的特性是毒性，快速充電能力，自放電性和保質期。
鋰鈷失去了鋰錳的支持，但尤其是NMC和NCA，因為鈷的高成本和通過與其他活性陰極材料混合而提高了性能。
圖2：普通鋰鈷電池。 鋰鈷在高比能量方面表現(xiàn)出色，但僅提供中等性能的比功率，安全性和使用壽命。 資料來源：Cadex
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氧化鋰鈷： LiCoO2陰極（?60 ％Co），石墨陽極 簡寫：LCO或鋰鈷。自1991年以來 |
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| 電壓等級 | 3.60V標稱值; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell |
| 比能量（容量） | 比能量（容量） 150–200Wh / kg。特種電池可提供高達240Wh / kg的功率。 |
| 充電（C費率） | 0.7–1C，充電至4.20V（大多數(shù)電池）；典型充電時間為3小時。充電電流超過1C會縮短電池壽命。 |
| 放電（C速率） | 1C; 截止電壓為2.50V。放電電流超過1C會縮短電池壽命。 |
| 循環(huán)壽命 | 500–1000，與放電深度，負載，溫度有關 |
| 熱失控 | 150°C。充滿電會加劇熱失控 |
| 應用領域 | 手機，平板電腦，筆記本電腦，相機 |
| 評論 | 比能量很高，比功率有限。鈷很貴。充當能量電池。市場份額穩(wěn)定。 |
錳酸鋰（LiMn2O4）—LMO
含錳尖晶石的鋰離子電池于1983年首次發(fā)表在《材料研究通報》上。1996年，Moli Energy將鋰錳氧化物作為正極材料的鋰離子電池商業(yè)化。該結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)部電阻并改善電流處理。尖晶石的另一優(yōu)點是高熱穩(wěn)定性和增強的安全性，但是循環(huán)和壓延壽命受到限制。
低內(nèi)部電池電阻可實現(xiàn)快速充電和大電流放電。在18650封裝中，鋰錳可以在20-30A的電流下以適度的熱量積聚放電。也可以施加高達50A的一秒負載脈沖。在此電流下持續(xù)的高負載會導致熱量積聚，并且電池溫度不能超過80°C。鋰錳用于電動工具，醫(yī)療儀器以及混合動力和電動汽車。
圖4示出了在鋰錳電池的陰極上三維晶體骨架的形成。這種尖晶石結構通常由連接成晶格的菱形組成，并在初始形成后出現(xiàn)。
圖4：鋰錳結構。鋰錳氧化物的陰極晶體形成具有在初始形成后出現(xiàn)的三維骨架結構。尖晶石具有較低的電阻，但比鈷具有適度的比能。 資料來源：Cadex
鋰錳的容量大約比鋰鈷低三分之一。設計的靈活性使工程師可以最大限度地延長電池壽命，以獲得最佳壽命（最大壽命），最大負載電流（特定功率）或高容量（特定能量）。例如，18650電池中的長壽命版本僅具有1,100mAh的中等容量；大容量版本為1,500mAh。
圖5顯示了典型鋰錳電池的星形網(wǎng)。這些特性似乎不大，但較新的設計在特定功率，安全性和使用壽命方面有所改進。如今，純鋰錳電池已不再普遍。它們只能用于特殊應用。
圖5：純鋰錳電池。 盡管總體性能適中，但較新的鋰錳設計在單位功率，安全性和使用壽命方面有所改進。 資料來源：波士頓
大多數(shù)鋰錳電池都與鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）混合使用，以提高比能并延長使用壽命。這種組合在每個系統(tǒng)中都發(fā)揮出了最好的性能，而LMO（NMC）被大多數(shù)電動汽車所選擇，例如Nissan Leaf，Chevy Volt和BMW i3。電池的LMO部分約為30％，可在加速時提供高電流提升；NMC部件可以延長行駛距離。
鋰離子研究在將鋰錳與鈷，鎳，錳和/或鋁作為活性陰極材料結合方面大有可為。在某些架構中，少量硅被添加到陽極。這樣可將容量提高25％；然而，隨著硅隨著充電和放電而生長和收縮，導致機械應力，增益通常與較短的循環(huán)壽命有關。
可以方便地選擇這三種活性金屬以及硅增強劑，以提高比能量（容量），比功率（負載容量）或壽命。盡管消費電池需要大容量，但工業(yè)應用需要具有良好負載能力，使用壽命長且提供安全可靠的電池系統(tǒng)。
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錳酸鋰： LiMn2O4陰極。石墨陽極 簡短形式：LMO或鋰錳（尖晶石結構）自1996年以來 |
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| 電壓等級 | 標稱值為3.70V（3.80V）; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell |
| 比能量（容量） | 100–150Wh / kg |
| 充電（C費率） | 典型0.7–1C，最大3C，充電至4.20V（大多數(shù)電池） |
| 放電（C速率） | 1C; 某些電池可能達到10C，30C脈沖（5s），截止電壓為2.50V |
| 循環(huán)壽命 | 300–700（與放電深度，溫度有關） |
| 熱失控 | 通常為250°C。高電荷促進熱失控 |
| 應用領域 | 電動工具，醫(yī)療設備，電動動力總成 |
| 評論 | 大功率但容量較??；比鈷酸鋰更安全；通常與NMC混合使用以提高性能。 |
鋰鎳錳鈷酸鋰（LiNiMnCoO2）— NMC
最成功的鋰離子系統(tǒng)之一是鎳錳鈷（NMC）的陰極組合。類似于鋰錳，可以定制這些系統(tǒng)以用作能量電池或動力電池。例如，用于中等負載條件的18650電池中的NMC的容量約為2,800mAh，可提供4A至5A的電流；針對特定功率進行優(yōu)化的同一電池中的NMC容量僅為2,000mAh，但可提供20A的連續(xù)放電電流。硅基陽極將達到4,000mAh及更高，但負載能力降低且循環(huán)壽命縮短。添加到石墨中的硅的缺點是陽極隨著充放電而增長和收縮，從而使電池機械不穩(wěn)定。
NMC的秘密在于將鎳和錳結合在一起。與此類似的是食鹽，其中的主要成分鈉和氯化物本身具有毒性，但將它們混合可作為調味鹽和食品防腐劑。鎳以其高比能而聞名，但穩(wěn)定性差。錳具有形成尖晶石結構以獲得低內(nèi)阻的優(yōu)點，但是提供了低比能。金屬的結合會彼此增強。
NMC是電動工具，電動自行車和其他電動動力總成的首選電池。陰極組合通常是三分之一的鎳，三分之一的錳和三分之一的鈷，也稱為1-1-1。這提供了獨特的共混物，由于減少了鈷含量，還降低了原材料成本。另一個成功的組合是NCM，含5份鎳，3份鈷和2份錳（5-3-2）。使用各種數(shù)量的陰極材料的其他組合也是可能的。
由于鈷的高成本，電池制造商從鈷系統(tǒng)轉向了鎳陰極。鎳基系統(tǒng)比鈷基電池具有更高的能量密度，更低的成本和更長的循環(huán)壽命，但它們的電壓略低。
新的電解質和添加劑可以使電池充電至4.4V / cell或更高，以提高容量。圖7展示了NMC的特性。
圖7：NMC。 NMC具有良好的整體性能，并且在單位能量方面表現(xiàn)出色。該電池是電動汽車的首選，并且具有最低的自熱率。 資料來源：波士頓
由于可以經(jīng)濟地構建該系統(tǒng)并獲得良好的性能，因此向NMC混合鋰離子電池邁進了一步。鎳，錳和鈷這三種活性材料可以輕松混合，以適合需要頻繁循環(huán)的汽車和儲能系統(tǒng)（EES）的廣泛應用。NMC系列的多樣性在不斷增長。
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鋰鎳錳鈷氧化物： LiNiMnCoO2。陰極，石墨陽極 簡寫：NMC（NCM，CMN，CNM，MNC，MCN類似，但金屬組合不同）自2008年以來 |
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| 電壓等級 | 3.60V，3.70V標稱值; 典型工作范圍為3.0–4.2V / cell或更高 |
| 比能量（容量） | 150–220Wh / kg |
| 充電（C費率） | 0.7–1C，充電至4.20V，有些則達到4.30V；典型充電時間為3小時。充電電流超過1C會縮短電池壽命。 |
| 放電（C速率） | 1C; 在某些電池上可能達到2C；截止電壓為2.50V |
| 循環(huán)壽命 | 1000–2000（與放電深度，溫度有關） |
| 熱失控 | 通常為210°C。高電荷促進熱失控 |
| 成本 | ?每千瓦時$ 420（資料來源：亞琛工業(yè)大學） |
| 應用領域 | 電動自行車，醫(yī)療設備，電動汽車，工業(yè) |
| 評論 | 提供高容量和高功率。充當混合細胞。最喜歡的化學物質有很多用途；市場份額正在增加。 |
磷酸鐵鋰（LiFePO4）— LFP
1996年，得克薩斯大學（和其他貢獻者）發(fā)現(xiàn)磷酸鹽作為可充電鋰電池的正極材料。磷酸鋰具有良好的電化學性能，且電阻低。納米級磷酸鹽陰極材料可以做到這一點。主要好處是額定電流高，循環(huán)壽命長，以及良好的熱穩(wěn)定性，增強的安全性和濫用（如果被濫用）。
如果長時間保持高壓，磷酸鋰對全充電條件的耐受性更高，并且與其他鋰離子系統(tǒng)相比，壓力較小。作為權衡，它的較低標稱電壓為3.2V / cell，可將比能降低到低于鈷共混鋰離子的比能。對于大多數(shù)電池，低溫會降低性能，升高的存儲溫度會縮短使用壽命，磷酸鋰也不例外。磷酸鋰電池比其他鋰離子電池具有更高的自放電能力，這可能導致老化問題。可以通過購買高質量的電池和/或使用復雜的控制電子設備來減輕這種情況，這兩者都會增加電池組的成本。清潔生產(chǎn)對于延長使用壽命至關重要。沒有耐濕性，以免電池只能循環(huán)50次。圖9總結了磷酸鋰的屬性。
磷酸鋰通常用于替代鉛酸啟動電池。四個串聯(lián)的電池產(chǎn)生12.80V，與六個串聯(lián)的2V鉛酸電池的電壓相似。車輛將鉛酸充電至14.40V（2.40V /電池）并保持充電。施加打頂電荷以保持充滿電并防止鉛酸電池硫酸化。
對于四個串聯(lián)的磷酸鋰電池，每個電池的最高電壓為3.60V，這是正確的滿充電電壓。在這一點上，應該斷開充電，但在行駛過程中繼續(xù)充電。磷酸鋰耐某些過充電；但是，如大多數(shù)車輛在長途旅行中一樣，長時間保持電壓在14.40V上，可能會給磷酸鋰施加壓力。時間將證明使用常規(guī)的汽車充電系統(tǒng)替代磷酸鋰的耐久性如何。低溫還會降低鋰離子電池的性能，這在極端情況下可能會影響起動能力。
圖9：磷酸鋰電池。 磷酸鋰具有出色的安全性和較長的使用壽命，但比能適中，自放電率較高。 資料來源：Cadex
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磷酸鐵鋰： LiFePO4陰極，石墨陽極 簡寫：LFP或磷酸鋰自1996年以來 |
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| 電壓等級 | 3.20、3.30V標稱值; 典型工作范圍2.5–3.65V / cell |
| 比能量（容量） | 90–120Wh / kg |
| 充電（C費率） | 典型值為1C，充電至3.65V；典型的3小時充電時間 |
| 放電（C速率） | 在某些電池上為1C，25C；40A脈沖（2s）; 截止電壓為2.50V（低于2V會造成損壞） |
| 循環(huán)壽命 | 2000及更高（與放電深度，溫度有關） |
| 熱失控 | 270°C（518°F）即使充滿電也非常安全的電池 |
| 成本 | ?每千瓦時$ 580（資料來源：亞琛工業(yè)大學） |
| 應用領域 | 便攜式和固定式需要高負載電流和耐久性 |
| 評論 |
電壓放電曲線非常平坦，但容量低。最安全的鋰離子電池之一。用于特殊市場。高自放電。 |
鋰鎳鈷鋁氧化物（LiNiCoAlO2）— NCA
自1999年以來，鋰鎳鈷鋁氧化物電池（NCA）就已經(jīng)用于特殊應用。它具有較高的比能量，合理的良好比功率和較長的使用壽命，與NMC具有相似之處。討人喜歡的是安全性和成本。圖11總結了六個關鍵特征。NCA是鋰鎳氧化物的進一步發(fā)展。添加鋁可提高化學穩(wěn)定性。
圖11：NCA。 高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動力總成的候選人。高成本和邊際安全是不利因素。 資料來源：Cadex
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鋰鎳鈷鋁氧化物： LiNiCoAlO2陰極（?9 ％Co），石墨陽極 簡寫：NCA或鋰鋁。自1999年以來 |
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| 電壓等級 | 3.60V標稱值; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell |
| 比能量（容量） | 200-260Wh / kg; 300Wh / kg可預測 |
| 充電（C費率） | 0.7C，充電至4.20V（大多數(shù)電池），典型值為3h，某些電池可能會快速充電 |
| 放電（C速率） | 典型值為1C；3.00V截止 高放電率會縮短電池壽命 |
| 循環(huán)壽命 | 500（與放電深度，溫度有關） |
| 熱失控 | 典型值為150°C，高電荷會促進熱失控 |
| 成本 | ~每千瓦時$ 350（資料來源：亞琛工業(yè)大學） |
| 應用領域 | 工業(yè)醫(yī)療設備，電力傳動系統(tǒng)（Tesla） |
| 評論 | 與鋰鈷具有相似之處。充當能量電池。 |
鈦酸鋰（Li2TiO3）— LTO
自1980年代以來就已經(jīng)知道具有鈦酸鋰陽極的電池。鈦酸鋰代替了典型鋰離子電池陽極中的石墨，該材料形成尖晶石結構。陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的標稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，并提供10C的高放電電流，即額定容量的10倍。周期數(shù)據(jù)稱比常規(guī)鋰離子電池高。鈦酸鋰是安全的，具有出色的低溫放電特性，在–30°C下的容量為80％。
LTO（通常為Li4Ti5O12）具有零應變性能，不形成SEI膜且在低溫下快速充電時不鍍鋰，優(yōu)于具有石墨陽極的常規(guī)鈷混合鋰離子。高溫下的熱穩(wěn)定性也優(yōu)于其他鋰離子系統(tǒng)；但是，電池價格昂貴。僅65Wh / kg，比能量低，可與NiCd媲美。鈦酸鋰充電至2.80V / cell，放電結束時為1.80V / cell。圖13說明了鈦酸鋰電池的特性。典型用途是電力傳動系統(tǒng)，UPS和太陽能路燈。
圖13：鈦酸鋰。 鈦酸鋰在安全性，低溫性能和使用壽命方面表現(xiàn)出色。人們正在努力改善比能并降低成本。 資料來源：波士頓
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鈦酸鋰： 陰極可以是錳酸鋰或NMC。Li 2 TiO 3 （鈦酸酯）陽極 縮寫：LTO或鈦酸鋰，大約2008年可商購。 |
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| 電壓等級 | 2.40V標稱值; 典型工作范圍為1.8–2.85V /電池 |
| 比能量（容量） | 50–80Wh / kg |
| 充電（C費率） | 典型值為1C；最高5C，充電至2.85V |
| 放電（C速率） | 10C可能，30C 5s脈沖; LCO / LTO上的1.80V截止 |
| 循環(huán)壽命 | 3,000–7,000 |
| 熱失控 | 最安全的鋰離子電池之一 |
| 成本 | 每千瓦時~1,005美元（來源：亞琛工業(yè)研究中心） |
| 應用領域 | UPS，電動動力總成（三菱i-MiEV，本田飛度EV），太陽能路燈 |
| 評論 | 壽命長，充電快，溫度范圍寬，但比能量低且價格昂貴。最安全的鋰離子電池中。 |
未來電池
固態(tài)鋰離子：高比能，但負載和安全性較差。
鋰硫：高比能，但循環(huán)壽命低，負荷低
鋰空氣：高比能，但負荷低，需要呼吸的清潔空氣，壽命短。
圖15比較了鉛，鎳和鋰基系統(tǒng)的比能。盡管鋰鋁（NCA）通過存儲比其他系統(tǒng)更多的容量而成為明顯的贏家，但這僅適用于特定的能源。就比功率和熱穩(wěn)定性而言，鋰錳（LMO）和磷酸鋰（LFP）優(yōu)越。鈦酸鋰（LTO）的容量可能較低，但這種化學成分在使用壽命方面比大多數(shù)其他電池都要長，并且具有最佳的低溫性能。朝電動動力總成方向發(fā)展，安全性和循環(huán)壽命將占主導地位。（LCO代表原始鋰離子鋰鈷。）
圖15：鉛，鎳和鋰基電池的典型比能。 NCA具有最高的比能量；但是，錳和磷酸鹽在比功率和熱穩(wěn)定性方面是優(yōu)越的。鈦酸鋰的壽命最長。 由Cadex提供
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