我們常常會(huì)說(shuō)到三元鋰電池或者鐵鋰電池，這些都是按照正極活性材料來(lái)給鋰電池命名的。本文匯總六種常見(jiàn)鋰電池類型以及它們的主要性能參數(shù)。大家都知道，相同技術(shù)路線的電芯，其具體參數(shù)并不完全相同，本文所顯示的是當(dāng)前參數(shù)的一般水平。六種鋰電池具體包括：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)

其高比能量使鈷酸鋰成為手機(jī)，筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)的熱門選擇。電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽(yáng)極組成。陰極具有分層結(jié)構(gòu)，在放電期間，鋰離子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極，充電過(guò)程則流動(dòng)方向相反。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

▲圖1：鈷酸鋰結(jié)構(gòu)

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

鈷酸鋰的缺點(diǎn)是壽命相對(duì)較短，熱穩(wěn)定性低和負(fù)載能力有限(比功率)。像其他鈷混合鋰離子電池一樣，鈷酸鋰采用石墨陽(yáng)極，其循環(huán)壽命主要受到固體電解質(zhì)界面(SEI)的限制，主要表現(xiàn)在SEI膜的逐漸增厚，和快速充電或者低溫充電過(guò)程的陽(yáng)極鍍鋰問(wèn)題。較新的材料體系增加了鎳，錳和/或鋁以提高壽命，負(fù)載能力和降低成本。

鈷酸鋰不應(yīng)以高于容量的電流進(jìn)行充電和放電。這意味著具有2,400mAh的18650電池只能以小于等于2,400mA充電和放電。強(qiáng)制快速充電或施加高于2400mA的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱和超負(fù)荷的應(yīng)力。為獲得最佳快速充電，制造商建議充電倍率為0.8C或約2,000mA。電池保護(hù)電路將能量單元的充電和放電速率限制在約1C的安全水平。六角蜘蛛圖(圖2)總結(jié)了與運(yùn)行相關(guān)的具體能量或容量方面的鈷酸鋰性能;具體功率或提供大電流的能力;安全;在高低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn);壽命包括日歷壽命和循環(huán)壽命;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(zhì)期。由于鈷的高成本以及通過(guò)與其他活性陰極材料混合材料帶來(lái)的明顯性能改善，鈷酸鋰正在逐步被錳酸鋰替代，尤其是NMC和NCA。(請(qǐng)參閱下面對(duì)NMC和NCA的描述。)

▲圖2：平均鈷酸鋰電池的蜘蛛圖

鈷酸鋰在高比能量方面表現(xiàn)出色，但在功率特性、安全性和循環(huán)壽命方面只能提供一般的性能表現(xiàn)

匯總表

▲表3：鈷酸鋰的特性

錳酸鋰(LiMn2O4)

尖晶石錳酸鋰電池首次發(fā)表于1983年的材料研究報(bào)告中。1996年，Moli能源公司將錳酸鋰為陰極材料的鋰離子電池商業(yè)化。該架構(gòu)形成三維尖晶石結(jié)構(gòu)，可改善電極上的離子流動(dòng)，從而降低內(nèi)部電阻并改善電流承載能力。尖晶石的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性高，安全性提高，但循環(huán)和日歷壽命有限。低電池內(nèi)阻可實(shí)現(xiàn)快速充電和大電流放電。18650型電芯，錳酸鋰電池可以在20-30A的電流下放電，并具有適度的熱量積累。也可以施加高達(dá)50A1秒負(fù)載脈沖。在此電流下持續(xù)的高負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致熱量積聚，電池溫度不能超過(guò)80°C(176°F)。錳酸鋰用于電動(dòng)工具，醫(yī)療器械，以及混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車。圖4說(shuō)明在錳酸鋰電池的陰極上形成三維晶體骨架。該尖晶石結(jié)構(gòu)通常由連接成晶格的菱形形狀組成，一般在電池化成后出現(xiàn)。

▲圖4：錳酸鋰結(jié)構(gòu)

錳酸鋰陰極結(jié)晶形成具有在化成后成型的三維骨架結(jié)構(gòu)。尖晶石提供低電阻，但比能量低于鈷酸鋰。

錳酸鋰的容量大約比鈷酸鋰低三分之一。設(shè)計(jì)靈活性使工程師能夠選擇最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命，或者提高最大負(fù)載電流(比功率)或容量(比能)。例如，18650電池的長(zhǎng)壽命版本只有1,100mAh的適中容量;高容量版本則達(dá)到1,500mAh。圖5顯示了典型錳酸鋰電池的蜘蛛圖。這些特性參數(shù)似乎不太理想，但新設(shè)計(jì)在功率，安全性和壽命方面有所改進(jìn)。純錳酸鋰電池今天不再普遍;它們只在特殊情況下應(yīng)用。

▲圖5：純錳酸鋰電池的蜘蛛圖

盡管整體性能一般，但新型錳酸鋰設(shè)計(jì)可以提高功率，安全性和壽命。

大多數(shù)錳酸鋰與鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)混合，以提高比能量并延長(zhǎng)壽命。這種組合帶來(lái)了每個(gè)系統(tǒng)的最佳性能，而大多數(shù)電動(dòng)汽車，如日產(chǎn)Leaf，雪佛蘭Volt和寶馬i3都選用了LMO(NMC)。電池的LMO部分可以達(dá)到30%左右，可以在加速時(shí)提供較高的電流;NMC部分提供了很長(zhǎng)的續(xù)航里程。鋰離子電池研究?jī)A向于將錳酸鋰與鈷，鎳，錳和/或鋁組合作為活性陰極材料。在一些架構(gòu)中，少量硅被添加到陽(yáng)極。這提供了25%的容量提升;然而，硅隨著充放電膨脹和收縮，從而引起機(jī)械應(yīng)力，容量提升通常與短的循環(huán)壽命緊密聯(lián)系。可以方便地選擇這三種活性金屬以及硅增強(qiáng)來(lái)提高比能(容量)，比功率(負(fù)載能力)或壽命。消費(fèi)電池需要大容量，而工業(yè)應(yīng)用需要電池系統(tǒng)，具有良好的負(fù)載能力，壽命長(zhǎng)，并提供安全可靠的服務(wù)。

匯總表

▲表6：錳酸鋰氧化物的特性

鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2或NMC)

最成功的鋰離子體系之一是鎳錳鈷(NMC)的陰極組合。與錳酸鋰類似，這個(gè)體系可以定制用作能量電池或功率電池。例如，中等負(fù)載條件下的18650電池中的NMC具有約2,800mAh的容量并且可以提供4A至5A放電電流;同一類型的NMC在針對(duì)特定功率進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，容量?jī)H為2,000mAh，但可提供20A的連續(xù)放電電流。硅基陽(yáng)極將達(dá)到4000mAh以上，但負(fù)載能力降低，循環(huán)壽命縮短。添加到石墨中的硅具有缺陷，即陽(yáng)極隨著充電和放電而膨脹和收縮，使得電池機(jī)械應(yīng)力大結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。NMC的秘密在于鎳和錳的結(jié)合。與此類似的是食鹽，其中主要成分鈉和氯化物本身是有毒的，但將它們混合起來(lái)作為調(diào)味鹽和食品保存劑。鎳以其高比能量而聞名，但穩(wěn)定性差;錳尖晶石結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)低內(nèi)阻但比能量低。兩種活性金屬優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。NMC是電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車和其他電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的首選電池。陰極組合通常是三分之一鎳，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(dú)特的混合物，由于鈷含量降低，也降低了原材料成本。另一個(gè)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。由于鈷的高成本，電池制造商從鈷系轉(zhuǎn)向鎳陰極。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(zhǎng)的循環(huán)壽命，但是它們的電壓略低。新型電解質(zhì)和添加劑可以使單只電池充電至4.4V以上，從而提高電量。圖7展示了NMC的特性。

▲圖7：NMC的蜘蛛圖

NMC具有良好的整體性能，并且在比能量方面表現(xiàn)出色。這種電池是電動(dòng)車的首選，具有最低的自熱率。

由于該體系經(jīng)濟(jì)性和綜合性能表現(xiàn)均比較好，因此NMC混合鋰離子電池越來(lái)越受到重視。鎳，錳和鈷三種活性材料可輕松混合，以適應(yīng)需要頻繁循環(huán)的汽車和能源存儲(chǔ)系統(tǒng)(EES)的廣泛應(yīng)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(xué)發(fā)現(xiàn)磷酸鹽可作為再充電鋰電池的陰極材料。磷酸鋰具有良好的電化學(xué)性能和低電阻。這是通過(guò)納米級(jí)磷酸鹽陰極材料實(shí)現(xiàn)的。主要優(yōu)點(diǎn)是高額定電流和長(zhǎng)循環(huán)壽命;良好的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了安全性和對(duì)濫用的容忍度。如果長(zhǎng)時(shí)間保持在高電壓下，磷酸鋰對(duì)全部充電條件的耐受性更強(qiáng)，并且比其他鋰離子系統(tǒng)的應(yīng)力更小。缺點(diǎn)是，較低的3.2V電池標(biāo)稱電壓使得比能量低于鈷摻雜鋰離子電池。對(duì)于大多數(shù)電池來(lái)說(shuō)，低溫會(huì)降低性能，升高儲(chǔ)存溫度會(huì)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高的自放電，這可能會(huì)引起老化進(jìn)而帶來(lái)均衡問(wèn)題，雖然可以通過(guò)選用高質(zhì)量的電池或使用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)，但這兩種方式都增加了電池組的成本。電池壽命對(duì)制造過(guò)程中的雜質(zhì)非常敏感，不能承受水分的摻雜，由于水分雜質(zhì)的存在有些電池最短壽命只有50個(gè)循環(huán)。圖9總結(jié)了磷酸鋰的屬性。常用磷酸鋰代替鉛酸起動(dòng)蓄電池。四個(gè)串聯(lián)電池產(chǎn)生12.80V，與六個(gè)2V鉛酸電池串聯(lián)的電壓相似。車輛將鉛酸充電至14.40V(2.40V/電池)并保持浮充狀態(tài)。浮充的用意在于保持完全充電水平并防止鉛酸電池硫酸化。通過(guò)串聯(lián)四個(gè)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(shí)，應(yīng)該斷開(kāi)充電，但駕駛時(shí)繼續(xù)充電。磷酸鋰容忍一些過(guò)度充電;然而，由于大多數(shù)車輛在長(zhǎng)途旅行中長(zhǎng)時(shí)間保持電壓在14.40V，可能會(huì)增加磷酸鋰電池的機(jī)械應(yīng)力。時(shí)間會(huì)告訴我們磷酸鋰作為鉛酸電池的替代品能夠承受多長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)充電。低溫也會(huì)降低鋰離子的性能，可能會(huì)影響極端情況下的起動(dòng)能力。

磷酸鋰具有良好的安全性和長(zhǎng)壽命，比能量適中，自放電能力增強(qiáng)。

鎳鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或稱NCA)

鎳鈷鋁酸鋰電池或NCA自1999年以后被應(yīng)用。它具有較高的比能量，相當(dāng)好的比功率和長(zhǎng)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。NCA是鋰鎳氧化物的進(jìn)一步發(fā)展;加入鋁賦予電池更好的化學(xué)穩(wěn)定性。

高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動(dòng)力系統(tǒng)的候選者。高成本和邊際安全性卻有負(fù)面的影響。

鈦酸鋰(Li4Ti5O12)

自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，鈦酸鋰陽(yáng)極的電池已為人所知。鈦酸鋰代替典型鋰離子電池陽(yáng)極中的石墨，并且材料形成尖晶石結(jié)構(gòu)。陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的標(biāo)稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，并提供10C的高放電電流。據(jù)說(shuō)循環(huán)次數(shù)高于常規(guī)鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)。鈦酸鋰是安全的，具有出色的低溫放電特性，在-30°C(-22°F)時(shí)可獲得80%的容量。LTO(通常是Li4Ti5O12)零應(yīng)變，沒(méi)有SEI膜形成和在快速充電和低溫充電時(shí)無(wú)鋰電鍍現(xiàn)象，因而具有優(yōu)于傳統(tǒng)的鈷摻混的Li-離子與石墨陽(yáng)極的充放電性能。高溫下的熱穩(wěn)定性也比其他鋰離子體系好;然而，電池價(jià)格昂貴。比能量低，只有65Wh/kg，與NiCd相當(dāng)。鈦酸鋰充電至2.80V，放電結(jié)束時(shí)為1.80V。典型用途是電動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，UPS和太陽(yáng)能路燈。

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

比較了基于鉛，鎳和鋰體系的比能。雖然鋰鋁(NCA)通過(guò)比其他系統(tǒng)儲(chǔ)存更多容量而成為明顯的贏家，但它僅適用于特定場(chǎng)景的電源使用。就比功率和熱穩(wěn)定性而言，錳酸鋰(LMO)和磷酸鋰(LFP)優(yōu)異。鈦酸鋰(LTO)的容量可能較低，但它的壽命超過(guò)了其他大多數(shù)電池，并且具有最佳的低溫性能。

NCA享有最高的比能量;然而，錳酸鋰和磷酸鐵鋰在比功率和熱穩(wěn)定性方面優(yōu)越。鈦酸鋰具有最好的使用壽命。