常見的六種鋰電池它們的區(qū)別是什么？用途有何不同？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-13 21:21
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我們常常會說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給鋰電池命名的。本文匯總六種常見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（LiCoO 2）
其高比能量使鈷酸鋰成為手機，筆記本電腦和數(shù)碼相機的熱門選擇。電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽極組成。陰極具有分層結(jié)構(gòu)，在放電期間，鋰離子從陽極移動到陰極，充電過程則流動方向相反。 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，鋰離子從陽極移動到陰極; 充電時流量從陰極流向陽極。
鈷酸鋰的缺點是壽命相對較短，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程的陽極鍍鋰問題。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。強制快速充電或施加高于2400mA的負(fù)載會導(dǎo)致過熱和超負(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鋰替代，尤其是NMC和NCA。（請參閱下面對NMC和NCA的描述。）
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)
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，從而降低內(nèi)部電阻并改善電流承載能力。尖晶石的另一個優(yōu)點是熱穩(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)荷會導(dǎo)致熱量積聚，電池溫度不能超過80°C（176°F）。錳酸鋰用于電動工具，醫(yī)療器械，以及混合動力和純電動汽車。
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)計靈活性使工程師能夠選擇最大限度地延長電池的使用壽命，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壽命。這種組合帶來了每個系統(tǒng)的最佳性能，而大多數(shù)電動汽車，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，可以在加速時提供較高的電流; NMC部分提供了很長的續(xù)航里程。
鋰離子電池研究傾向于將錳酸鋰與鈷，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來提高比能（容量），比功率（負(fù)載能力）或壽命。消費電池需要大容量，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，并提供安全可靠的服務(wù)。
鎳鈷錳酸鋰（LiNiMnCoO 2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在針對特定功率進(jìn)行優(yōu)化時，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(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，即陽極隨著充電和放電而膨脹和收縮，使得電池機械應(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)可以實現(xiàn)低內(nèi)阻但比能量低。兩種活性金屬優(yōu)勢互補。
NMC是電動工具，電動自行車和其他電動動力系統(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。這提供了一種獨特的混合物，由于鈷含量降低，也降低了原材料成本。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。
NMC具有良好的整體性能，并且在比能量方面表現(xiàn)出色。這種電池是電動車的首選，具有最低的自熱率。
由于該體系經(jīng)濟性和綜合性能表現(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)的汽車和能源存儲系統(tǒng)（EES）的廣泛應(yīng)用。NMC家族的多樣性正在增長。
磷酸鐵鋰（LiFePO 4）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。這是通過納米級磷酸鹽陰極材料實現(xiàn)的。主要優(yōu)點是高額定電流和長循環(huán)壽命；良好的熱穩(wěn)定性，增強了安全性和對濫用的容忍度。
如果長時間保持在高電壓下，磷酸鋰對全部充電條件的耐受性更強，并且比其他鋰離子系統(tǒng)的應(yīng)力更小。缺點是，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。對于大多數(shù)電池來說，低溫會降低性能，升高儲存溫度會縮短使用壽命，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，這可能會引起老化進(jìn)而帶來均衡問題，雖然可以通過選用高質(zhì)量的電池或使用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)來彌補，但這兩種方式都增加了電池組的成本。電池壽命對制造過程中的雜質(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蓄電池。四個串聯(lián)電池產(chǎn)生12.80V，與六個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。
通過串聯(lián)四個磷酸鋰電池，每個電池的電壓均為3.60V，這是正確的滿充電電壓。此時，應(yīng)該斷開充電，但駕駛時繼續(xù)充電。磷酸鋰容忍一些過度充電; 然而，由于大多數(shù)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(yīng)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，可能會影響極端情況下的起動能力。
圖9：典型磷酸鋰電池的蜘蛛圖。
磷酸鋰具有良好的安全性和長壽命，比能量適中，自放電能力增強。
匯總表
表10：磷酸鐵鋰的特性
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。圖11總結(jié)了六個關(guān)鍵特征。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。
圖11：NCA的蜘蛛圖
高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動力系統(tǒng)的候選者。高成本和邊際安全性卻有負(fù)面的影響。
匯總表
表12：鎳鈷鋁酸鋰的特性
鈦酸鋰（Li4Ti5O12）
自二十世紀(jì)八十年代以來，鈦酸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，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）時可獲得80％的容量。
LTO（通常是Li4Ti5 O12）零應(yīng)變，沒有SEI膜形成和在快速充電和低溫充電時無鋰電鍍現(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系統(tǒng)，UPS和太陽能路燈。
圖13：鈦酸鋰蜘蛛圖。
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。
匯總表
表14：鈦酸鋰的特性
圖15比較了基于鉛，鎳和鋰體系的比能。雖然鋰鋁（NCA）通過比其他系統(tǒng)儲存更多容量而成為明顯的贏家，但它僅適用于特定場景的電源使用。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，但它的壽命超過了其他大多數(shù)電池，并且具有最佳的低溫性能。
目前，新研發(fā)的電池基于材料，那么就無非是基于電池的正極、負(fù)極、電解液和隔離膜這幾大塊。
正極：常見的突破性材料為新型的層狀氧化物，聚陰離子材料，S，新型磷酸鹽系。此類工作經(jīng)常發(fā)表在science, nature materials, advanced materials, advanced energy materials等頂級期刊上。比如某人，發(fā)現(xiàn)一個含有Co, Ni，V等金屬但是又不同于主流Ni-Co-Mn三元材料的新型正極金屬氧化物材料，發(fā)現(xiàn)性能極好?；蛘週i-S電池通過復(fù)合聚合物解決了S的溶解等問題。
工業(yè)界：只見你們發(fā)表循環(huán)，容量，倍率性能，那么安全、可靠性、高低溫、快充性能如何。和電解液的副作用如何，穿釘、熱箱、過充能過不。后面這些不考慮都是耍流氓。都多大可能量產(chǎn)呢。
另外，見到納米的一律封殺，還嫌三元材料的產(chǎn)氣不夠嗎。你弄個納米的比表面積得多大，到時候全是副反應(yīng)。電池才用一年，就鼓包了。另外，顆粒度多少，涂布能涂上去嗎？
負(fù)極：金屬鋰，石墨烯，硅納米材料等
石墨烯在學(xué)術(shù)界到處都是，已經(jīng)爛大街。倒是某些人研究金屬鋰，能解決鋰枝晶問題挺有意思。硅的理論能量密度遠(yuǎn)高于石墨，但體積膨脹厲害，后來終于在學(xué)術(shù)圈被某team各種納米化，復(fù)合材料化花式吊打，解決了循環(huán)穩(wěn)定性的問題，看起來不錯哦。
工業(yè)界：納米材料，呵呵。當(dāng)前為了提高能量，負(fù)極會在石墨中摻硅，但硅頂多作為添加部分放進(jìn)負(fù)極中，不會超過5%。根本不需要文章里用的那些做純硅的屠龍納米之術(shù)，再說了那些納米制程都需要用到各種奇怪設(shè)備如CVD，水熱釜等。我們工業(yè)界啊，最喜歡的是簡單粗暴的，把幾個粉放在一起混吧混吧不就好了嘛。
倒是金屬鋰的突破性研究還有些意思，可惜我們電池公司目前都用石墨。用金屬鋰的話電池電壓會比用石墨上升些，自然能量也會高一點點，但是鋰的成本比石墨高太多。當(dāng)前上游在漲價，下游OEM在退補壓力下壓價，降成本是我們電池公司R&D部門的KPI重要指標(biāo)，搞那么激進(jìn)可不好。
