锂离子电池分哪几类？锂离子电池的类型介绍

本文来源batteryuniversity，帮助你熟悉不同类型的锂离子电池。

锂离子电池以其活性材料而得名；单词全部用化学符号缩写。串在一起的一系列字母和数字可能很难记住，甚至更难以发音，并且电池化学成分也以缩写字母标识。

例如，最常见的锂离子之一的钴酸锂锂的化学符号为LiCoO₂和缩写LCO。为简单起见，也可将短型锂钴电池用于此电池。钴是赋予这种电池特性的主要活性材料。其他锂离子化学名称也有相似的简称。本文列出了六种最常见的锂离子电池类型。所有读数均为撰写本文时的平均估计值。

氧化钴锂（LiCoO₂）—LCO

钴酸锂的高比能量使其成为手机，笔记本电脑和数码相机的流行选择。该电池由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成。阴极具有层状结构，并且在放电期间，锂离子从阳极移动到阴极。电荷反向流动，钴酸锂的缺点是使用寿命相对较短，热稳定性低以及负载能力（比功率）有限。图1说明了该结构。

图1：锂钴结构。 阴极具有层状结构。在放电过程中，锂离子从阳极移动到阴极。电荷流从阴极到阳极。 资料来源：Cadex

钴酸锂的缺点是使用寿命相对较短，热稳定性低以及负载能力（比功率）有限。像其他钴混合锂离子一样，锂钴具有石墨阳极，该阳极通过改变固体电解质界面（SEI），在阳极上增稠和镀锂，同时在低温下快速充电和充电来限制循环寿命。较新的系统包括镍，锰和/或铝，以提高使用寿命，装载能力和成本。

锂钴不应以高于其C额定值的电流进行充电和放电。这意味着具有2400mAh的18650电池只能以2400mA进行充电和放电。强制快速充电或施加高于2,400mA的负载会导致过热和过度应力。为了获得最佳的快速充电，制造商建议C速率为0.8C或2,000mA。（什么是电池C速率）。强制性电池保护电路将能量电池的充电和放电速率限制在大约1C的安全水平 。

六角形蜘蛛图形（图2）根据与运行时间相关的比能量或容量总结了锂钴的性能。比功率或输送大电流的能力；安全; 性能在高温和低温下；寿命反映了循环寿命和寿命；和费用。蜘蛛网中未显示的其他令人感兴趣的特性是毒性，快速充电能力，自放电性和保质期。

锂钴失去了锂锰的支持，但尤其是NMC和NCA，因为钴的高成本和通过与其他活性阴极材料混合而提高了性能。

图2：普通锂钴电池。 锂钴在高比能量方面表现出色，但仅提供中等性能的比功率，安全性和使用寿命。 资料来源：Cadex

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锰酸锂（LiMn₂O₄）—LMO

含锰尖晶石的锂离子电池于1983年首次发表在《材料研究通报》上。1996年，Moli Energy将锂锰氧化物作为正极材料的锂离子电池商业化。该结构形成三维尖晶石结构，可改善电极上的离子流动，从而降低内部电阻并改善电流处理。尖晶石的另一优点是高热稳定性和增强的安全性，但是循环和压延寿命受到限制。

低内部电池电阻可实现快速充电和大电流放电。在18650封装中，锂锰可以在20-30A的电流下以适度的热量积聚放电。也可以施加高达50A的一秒负载脉冲。在此电流下持续的高负载会导致热量积聚，并且电池温度不能超过80°C。锂锰用于电动工具，医疗仪器以及混合动力和电动汽车。

图4示出了在锂锰电池的阴极上三维晶体骨架的形成。这种尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形组成，并在初始形成后出现。

图4：锂锰结构。锂锰氧化物的阴极晶体形成具有在初始形成后出现的三维骨架结构。尖晶石具有较低的电阻，但比钴具有适度的比能。 资料来源：Cadex

锂锰的容量大约比锂钴低三分之一。设计的灵活性使工程师可以最大限度地延长电池寿命，以获得最佳寿命（最大寿命），最大负载电流（特定功率）或高容量（特定能量）。例如，18650电池中的长寿命版本仅具有1,100mAh的中等容量；大容量版本为1,500mAh。

图5显示了典型锂锰电池的星形网。这些特性似乎不大，但较新的设计在特定功率，安全性和使用寿命方面有所改进。如今，纯锂锰电池已不再普遍。它们只能用于特殊应用。

图5：纯锂锰电池。 尽管总体性能适中，但较新的锂锰设计在单位功率，安全性和使用寿命方面有所改进。 资料来源：波士顿

大多数锂锰电池都与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合使用，以提高比能并延长使用寿命。这种组合在每个系统中都发挥出了最好的性能，而LMO（NMC）被大多数电动汽车所选择，例如Nissan Leaf，Chevy Volt和BMW i3。电池的LMO部分约为30％，可在加速时提供高电流提升；NMC部件可以延长行驶距离。

锂离子研究在将锂锰与钴，镍，锰和/或铝作为活性阴极材料结合方面大有可为。在某些架构中，少量硅被添加到阳极。这样可将容量提高25％；然而，随着硅随着充电和放电而生长和收缩，导致机械应力，增益通常与较短的循环寿命有关。

可以方便地选择这三种活性金属以及硅增强剂，以提高比能量（容量），比功率（负载容量）或寿命。尽管消费电池需要大容量，但工业应用需要具有良好负载能力，使用寿命长且提供安全可靠的电池系统。

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锂镍锰钴酸锂（LiNiMnCoO₂）— NMC

最成功的锂离子系统之一是镍锰钴（NMC）的阴极组合。类似于锂锰，可以定制这些系统以用作能量电池或动力电池。例如，用于中等负载条件的18650电池中的NMC的容量约为2,800mAh，可提供4A至5A的电流；针对特定功率进行优化的同一电池中的NMC容量仅为2,000mAh，但可提供20A的连续放电电流。硅基阳极将达到4,000mAh及更高，但负载能力降低且循环寿命缩短。添加到石墨中的硅的缺点是阳极随着充放电而增长和收缩，从而使电池机械不稳定。

NMC的秘密在于将镍和锰结合在一起。与此类似的是食盐，其中的主要成分钠和氯化物本身具有毒性，但将它们混合可作为调味盐和食品防腐剂。镍以其高比能而闻名，但稳定性差。锰具有形成尖晶石结构以获得低内阻的优点，但是提供了低比能。金属的结合会彼此增强。

NMC是电动工具，电动自行车和其他电动动力总成的首选电池。阴极组合通常是三分之一的镍，三分之一的锰和三分之一的钴，也称为1-1-1。这提供了独特的共混物，由于减少了钴含量，还降低了原材料成本。另一个成功的组合是NCM，含5份镍，3份钴和2份锰（5-3-2）。使用各种数量的阴极材料的其他组合也是可能的。

由于钴的高成本，电池制造商从钴系统转向了镍阴极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度，更低的成本和更长的循环寿命，但它们的电压略低。

新的电解质和添加剂可以使电池充电至4.4V / cell或更高，以提高容量。图7展示了NMC的特性。

图7：NMC。 NMC具有良好的整体性能，并且在单位能量方面表现出色。该电池是电动汽车的首选，并且具有最低的自热率。 资料来源：波士顿

由于可以经济地构建该系统并获得良好的性能，因此向NMC混合锂离子电池迈进了一步。镍，锰和钴这三种活性材料可以轻松混合，以适合需要频繁循环的汽车和储能系统（EES）的广泛应用。NMC系列的多样性在不断增长。

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磷酸铁锂（LiFePO₄）— LFP

1996年，得克萨斯大学（和其他贡献者）发现磷酸盐作为可充电锂电池的正极材料。磷酸锂具有良好的电化学性能，且电阻低。纳米级磷酸盐阴极材料可以做到这一点。主要好处是额定电流高，循环寿命长，以及良好的热稳定性，增强的安全性和滥用（如果被滥用）。

如果长时间保持高压，磷酸锂对全充电条件的耐受性更高，并且与其他锂离子系统相比，压力较小。作为权衡，它的较低标称电压为3.2V / cell，可将比能降低到低于钴共混锂离子的比能。对于大多数电池，低温会降低性能，升高的存储温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。磷酸锂电池比其他锂离子电池具有更高的自放电能力，这可能导致老化问题。可以通过购买高质量的电池和/或使用复杂的控制电子设备来减轻这种情况，这两者都会增加电池组的成本。清洁生产对于延长使用寿命至关重要。没有耐湿性，以免电池只能循环50次。图9总结了磷酸锂的属性。

磷酸锂通常用于替代铅酸启动电池。四个串联的电池产生12.80V，与六个串联的2V铅酸电池的电压相似。车辆将铅酸充电至14.40V（2.40V /电池）并保持充电。施加打顶电荷以保持充满电并防止铅酸电池硫酸化。

对于四个串联的磷酸锂电池，每个电池的最高电压为3.60V，这是正确的满充电电压。在这一点上，应该断开充电，但在行驶过程中继续充电。磷酸锂耐某些过充电；但是，如大多数车辆在长途旅行中一样，长时间保持电压在14.40V上，可能会给磷酸锂施加压力。时间将证明使用常规的汽车充电系统替代磷酸锂的耐久性如何。低温还会降低锂离子电池的性能，这在极端情况下可能会影响起动能力。

图9：磷酸锂电池。 磷酸锂具有出色的安全性和较长的使用寿命，但比能适中，自放电率较高。 资料来源：Cadex

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锂镍钴铝氧化物（LiNiCoAlO₂）— NCA

自1999年以来，锂镍钴铝氧化物电池（NCA）就已经用于特殊应用。它具有较高的比能量，合理的良好比功率和较长的使用寿命，与NMC具有相似之处。讨人喜欢的是安全性和成本。图11总结了六个关键特征。NCA是锂镍氧化物的进一步发展。添加铝可提高化学稳定性。

图11：NCA。 高能量和功率密度以及良好的使用寿命使NCA成为EV动力总成的候选人。高成本和边际安全是不利因素。 资料来源：Cadex

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钛酸锂（Li₂TiO₃）— LTO

自1980年代以来就已经知道具有钛酸锂阳极的电池。钛酸锂代替了典型锂离子电池阳极中的石墨，该材料形成尖晶石结构。阴极可以是锰酸锂或NMC。钛酸锂的标称电池电压为2.40V，可以快速充电，并提供10C的高放电电流，即额定容量的10倍。周期数据称比常规锂离子电池高。钛酸锂是安全的，具有出色的低温放电特性，在–30°C下的容量为80％。

LTO（通常为Li4Ti₅O₁₂）具有零应变性能，不形成SEI膜且在低温下快速充电时不镀锂，优于具有石墨阳极的常规钴混合锂离子。高温下的热稳定性也优于其他锂离子系统；但是，电池价格昂贵。仅65Wh / kg，比能量低，可与NiCd媲美。钛酸锂充电至2.80V / cell，放电结束时为1.80V / cell。图13说明了钛酸锂电池的特性。典型用途是电力传动系统，UPS和太阳能路灯。

图13：钛酸锂。 钛酸锂在安全性，低温性能和使用寿命方面表现出色。人们正在努力改善比能并降低成本。 资料来源：波士顿

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未来电池

固态锂离子：高比能，但负载和安全性较差。

锂硫：高比能，但循环寿命低，负荷低

锂空气：高比能，但负荷低，需要呼吸的清洁空气，寿命短。

图15比较了铅，镍和锂基系统的比能。尽管锂铝（NCA）通过存储比其他系统更多的容量而成为明显的赢家，但这仅适用于特定的能源。就比功率和热稳定性而言，锂锰（LMO）和磷酸锂（LFP）优越。钛酸锂（LTO）的容量可能较低，但这种化学成分在使用寿命方面比大多数其他电池都要长，并且具有最佳的低温性能。朝电动动力总成方向发展，安全性和循环寿命将占主导地位。（LCO代表原始锂离子锂钴。）

图15：铅，镍和锂基电池的典型比能。 NCA具有最高的比能量；但是，锰和磷酸盐在比功率和热稳定性方面是优越的。钛酸锂的寿命最长。 由Cadex提供

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