常見鋰電（diàn）池類型以及主要性能參數

    常常（cháng）聽到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（xìng）材料來給鋰電池命名的（de）。小（xiǎo）編匯總常（cháng）見鋰電池（chí）類型以及它們的主要（yào）性能參數。大家（jiā）都知道，相同（tóng）技術路線的電芯，其具體參數並不完全相同，當前參數的（de）一（yī）般水（shuǐ）平。六（liù）種鋰電池具體包括：鈷（gǔ）酸鋰(LiCoO2)，錳酸鋰(LiMn2O4)，鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2或NMC)，鎳鈷鋁酸鋰（lǐ）(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（suān）鋰成為手機，筆記本電腦和數碼相機的熱門選擇。電池（chí）由氧化鈷陰極和石墨碳（tàn）陽極組成。陰（yīn）極（jí）具有分層結構，在（zài）放電（diàn）期間，鋰離子從陽極移（yí）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，鋰離子從陽極移動到陰極;充電時流量從陰極流（liú）向陽極。

    鈷酸鋰（lǐ）的（de）缺點是壽命相對較短，熱穩定性低和負載能力有限(比功率（lǜ）)。像其他鈷混合鋰離子電池一樣，鈷酸鋰采用（yòng）石墨陽極，其（qí）循環壽（shòu）命主要受到固體電解質界麵(SEI)的限製，主要表現在SEI膜的（de）逐漸增（zēng）厚，和快速充（chōng）電（diàn）或者（zhě）低溫充電過程的陽極鍍（dù）鋰問（wèn）題。較新的材料體係增加（jiā）了鎳，錳（měng）和/或鋁以提高壽命，負載能（néng）力和降低成本。鈷酸（suān）鋰（lǐ）不應以高於容量的電（diàn）流（liú）進行充電和放電。這意（yì）味著具有2,400mAh的18650電池（chí）隻能以小於等於2,400mA充電和放電（diàn）。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。為獲得最佳快速充電，製造商建議充電倍率為0.8C或約2,000mA。電池保護電路將能量單（dān）元的充電和（hé）放電速率（lǜ）限製在約1C的安全水平。六角蜘蛛（zhū）圖(圖2)總結了與運行相關的具體能量或容量（liàng）方麵的鈷酸鋰性能;具體功率或提供大電流的能力;安（ān）全;在高低溫環境下的性能表現;壽命包括日曆壽命（mìng）和循環壽命;成本特性。蜘蛛圖中沒有顯示的其他重要特征（zhēng）還包括毒性（xìng），快速充電能力，自放電（diàn）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帶來的明顯性能改善，鈷酸鋰正在逐步被錳酸（suān）鋰替代，尤其（qí）是（shì）NMC和NCA。(請參閱下（xià）麵對NMC和NCA的描述。)

鈷酸（suān）鋰在高比能量（liàng）方麵表現出色，但在功率特性、安全性和循環壽命（mìng）方（fāng）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（chí）首次發表於1983年的材料研（yán）究報告中。1996年（nián），Moli能源公司將錳酸（suān）鋰為陰極材料的鋰（lǐ）離子電池商業化。該架（jià）構（gòu）形成三維尖晶石結（jié）構，可改善電極上的離子流（liú）動，從而降（jiàng）低內部電阻並改善電流承載能力。尖晶石（shí）的另一個優點是熱穩定性高（gāo），安全性提（tí）高，但循環和日曆（lì）壽（shòu）命有限。低電池內阻可實現快速充電和大電流放電。18650型電芯，錳酸鋰電（diàn）池可以（yǐ）在（zài）20-30A的電流下放電，並（bìng）具有適度的熱量積累。也（yě）可以施（shī）加高達（dá）50A1秒負載脈衝。在此電流下持續的高負荷會導致熱量積聚，電池溫度不能（néng）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汽車。圖4說明在錳酸鋰（lǐ）電池的陰極上形成三維（wéi）晶體骨（gǔ）架（jià）。該尖晶石結（jié）構（gòu）通常由連接成晶格的菱形形（xíng）狀組成，一般在電池化（huà）成後（hòu）出（chū）現。

錳酸鋰陰極結晶形成具有在化成後成型的三維骨架結構。尖（jiān）晶石（shí）提（tí）供低電阻，但比能量低於鈷酸鋰。

    錳酸（suān）鋰的容量大約比鈷酸鋰低三分之（zhī）一。設計靈（líng）活性（xìng）使工（gōng）程師能夠選擇最大限度地延（yán）長電池的使用壽命，或（huò）者提高最大負載電流（liú）(比功率)或容量(比能)。例如，18650電（diàn）池的長壽命版本隻有1,100mAh的適中容量;高（gāo）容（róng）量版本（běn）則達到1,500mAh。圖5顯示了典型（xíng）錳酸鋰（lǐ）電池（chí）的蜘（zhī）蛛圖。這（zhè）些特性參數似乎不太理想，但新（xīn）設（shè）計在功率，安全性和（hé）壽命方麵有所改進。純錳（měng）酸鋰電池（chí）今天不再普遍;它們隻在特殊（shū）情（qíng）況下應用。

盡管整體性能一般（bān），但新型錳酸鋰設計可以提（tí）高功率，安全性和壽命。

    大多數錳酸鋰與鋰（lǐ）鎳錳鈷氧化物(NMC)混合，以提高比能量（liàng）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，如日產Leaf，雪佛（fó）蘭Volt和寶馬i3都選（xuǎn）用了LMO(NMC)。電池（chí）的（de）LMO部分可以達到30%左右，可（kě）以在加速時提供（gòng）較（jiào）高的（de）電（diàn）流;NMC部分提供了很長的續航裏程。鋰離子電池研究傾向於將錳酸鋰與鈷，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（bèi）添加到陽極。這提供了25%的容量提（tí）升（shēng）;然（rán）而，矽隨（suí）著充放電膨脹和收縮，從而（ér）引起機（jī）械應力，容量（liàng）提升通常與短（duǎn）的循環壽命緊密聯係。可以方便地（dì）選擇這三（sān）種（zhǒng）活性金屬（shǔ）以及矽增強來提高比能(容量（liàng）)，比功率(負載能（néng）力)或壽命。消費電池（chí）需要大容（róng）量，而工業應用需（xū）要（yào）電池係統，具有良好的負（fù）載能力（lì），壽（shòu）命長，並提供（gòng）安全可靠的服務。

鎳鈷錳酸鋰（lǐ）(LiNiMnCoO2或NMC)：

    成功的鋰離子體係（xì）之一是鎳錳鈷(NMC)的陰極組合。與錳酸鋰類似，這個（gè）體係可（kě）以定製用（yòng）作（zuò）能量電池或功（gōng）率電池。例如，中等（děng）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NMC在針對特定功率進行優化時（shí），容量僅為2,000mAh，但可提（tí）供（gòng）20A的連續放電電流。矽基陽極將達到4000mAh以（yǐ）上，但負載能力（lì）降低，循環壽命縮短。添（tiān）加到石墨中的（de）矽具（jù）有缺陷，即陽極隨著充（chōng）電和放電而膨脹和收縮，使（shǐ）得電池（chí）機械應力大結構不穩定。NMC的（de）秘（mì）密（mì）在於鎳和錳的結合。與此類似的是食鹽，其中主（zhǔ）要成分鈉和氯化物本身是有（yǒu）毒的，但將它們混合起來作為調味鹽和食品保存（cún）劑。鎳以其高比能量而聞名，但穩定性差;錳尖晶石（shí）結（jié）構可以實現低內阻但比（bǐ）能量低。兩（liǎng）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（diàn）動動力係（xì）統的首選電池。陰極組合通常（cháng）是三（sān）分之一（yī）鎳，三分之一錳和三分之一鈷，也被稱為1-1-1。這提供了一種獨特的混合物（wù），由於鈷含量降低（dī），也降（jiàng）低了原材料成本。另一個成功的組合是（shì）NCM，其中含有5份鎳，3份鈷和（hé）2份錳(5-3-2)。也可以使用其他不同量的陰極材（cái）料組合。由於鈷的高成（chéng）本，電池（chí）製造商從鈷係轉向鎳陰極。鎳基係統比鈷基電池（chí）具有更高的能量密度，更低的成本和更長的循環壽命，但是它們的（de）電（diàn）壓略低（dī）。新型電（diàn）解質和添加劑可以使單隻電池充電至4.4V以上，從而提高電量。圖7展示了（le）NMC的特性。

NMC具有良好的整體性能，並且（qiě）在比能（néng）量方（fāng）麵表現出色。這種電池是電動車的首選，具有低的自（zì）熱率。

    由於該（gāi）體係經濟性和（hé）綜（zōng）合性能表現均比較好，因此NMC混（hún）合鋰離子電池越（yuè）來越受到（dào）重視。鎳，錳（měng）和鈷三種活（huó）性材料可輕鬆混合，以適應（yīng）需要頻繁循環的汽車和能源存儲係統(EES)的廣泛應用。NMC家（jiā）族的多樣性正在（zài）增長。

磷酸鐵鋰（lǐ）(LiFePO4)：

    1996年，德克薩斯大學發現磷（lín）酸鹽可作為再充電鋰電（diàn）池的陰極材料。磷酸鋰具有良好的電化學性能和低電阻。這是（shì）通過納米級磷酸鹽陰極材料實現的。主要優點（diǎn）是高額定電流（liú）和長循環壽命;良好的熱穩定性，增強了安全性和對濫（làn）用（yòng）的容忍度。如果長時間保持在高電壓下，磷（lín）酸鋰對全部充電條件的耐受（shòu）性（xìng）更強，並且（qiě）比其他（tā）鋰離子係統的（de）應力更小。缺點是，較（jiào）低的3.2V電池標稱電壓（yā）使得（dé）比能量低於鈷摻雜鋰離子電池。對於大（dà）多數電池（chí）來說，低溫會降低（dī）性能，升高儲存溫度會縮短使用壽（shòu）命，磷酸鋰也不例外。磷酸鋰具（jù）有比其他鋰離子電（diàn）池更高的（de）自放電，這可能會引起（qǐ）老化進而帶來均衡問題，雖然（rán）可以通過選（xuǎn）用高（gāo）質量的電池或使（shǐ）用先進的電池管理係統來彌補，但這兩種（zhǒng）方式都增加了電池組（zǔ）的成本（běn）。電（diàn）池壽命對製造過程中的雜質非常敏感，不能承受水（shuǐ）分的摻雜，由於水分雜質的存在有些電池最短壽命隻有50個循環。圖（tú）9總結了磷（lín）酸鋰的屬性。常用磷酸鋰代替鉛酸（suān）起動（dòng）蓄電池（chí）。四個串聯（lián）電池產生12.80V，與六個2V鉛酸電池串聯的電壓相似。車輛將鉛酸充電至14.40V(2.40V/電池)並保持浮充狀態。浮充的用意在於保持完全充電水（shuǐ）平並防止鉛酸電池硫酸（suān）化。通過串聯四個磷酸鋰電池，每個（gè）電池的電壓均為3.60V，這是正確的滿充電電壓。此時，應（yīng）該斷開（kāi）充電，但駕駛時繼續充電。磷酸鋰容忍一些過度充電;然而，由於大多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（gào）訴（sù）我們磷酸鋰作為（wéi）鉛酸電池的替代品能夠承受多（duō）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（qíng）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（ān）全性和長壽命，比能量適中，自（zì）放電能力增強。

鎳鈷鋁酸（suān）鋰(LiNiCoAlO2或稱NCA)

    鎳鈷鋁酸鋰電池或NCA自1999年以後（hòu）被應用。它具有較高的比能量，相當（dāng）好的比功率和長的使用壽命與NMC有相似之處（chù）。不太討人喜歡的是（shì）安全（quán）性和成本（běn）。圖11總結了六個關鍵特征。NCA是鋰鎳氧化物的進一步（bù）發展;加入鋁賦予（yǔ）電池（chí）更好的化學穩定性。

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

鈦酸鋰(Li4Ti5O12)：

    自二十世（shì）紀八十年代以來，鈦酸鋰陽極的電池已為人所知。鈦酸（suān）鋰代替典型鋰離子電池陽極（jí）中的石墨，並且材料形成尖晶（jīng）石結構。陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的（de）標稱（chēng）電池電壓為2.40V，可以快速充（chōng）電，並提供10C的高放電電流。據（jù）說循環次數高於常（cháng）規鋰離子電（diàn）池的循環次數。鈦酸鋰是安全的，具（jù）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，沒有（yǒu）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（zǐ）體係好;然而，電池價格昂貴。比（bǐ）能量低，隻有65Wh/kg，與NiCd相（xiàng）當。鈦酸（suān）鋰充電至2.80V，放電結（jié）束時（shí）為1.80V。圖13顯示了鈦酸鋰電池的（de）特性。典型用途（tú）是電動動力傳動係統，UPS和太陽能（néng）路燈（dēng）。

鈦酸鋰（lǐ）在安全性，低（dī）溫性能和（hé）壽命方（fāng）麵表現（xiàn）出色。正在努力提高比能量和降低成本。

    比較了（le）基於鉛，鎳（niè）和（hé）鋰體（tǐ）係的比能。雖然鋰（lǐ）鋁(NCA)通過（guò）比其他係統儲存更多容（róng）量而（ér）成為明顯的贏家，但它（tā）僅適用於特定場景（jǐng）的電源使用。就比功率和熱穩定性（xìng）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（shòu）命超過了其他大多（duō）數電池，並且具有最佳的低溫（wēn）性能。