鈷酸鋰(LiCoO2)

高比能量使得鋰-鈷電池在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這種電池的正極為鈷氧化物，負(fù)極為石墨。鋰-鈷電池的缺點(diǎn)是相對來說壽命較短、熱穩(wěn)定性較低并且比能量有限。

 

正極為層狀的結(jié)構(gòu)，在放電過程中，鋰離子從正極移動到負(fù)極，而充電時(shí)，鋰離子的移動是從負(fù)極回到正極。

 

目前鋰鈷電池不能在高于其倍率下充放電，這意味著2400mAh的18650電池僅能在2400mA下充放電。強(qiáng)制快速充電或者使用高于2400mA充電會導(dǎo)致過熱和過壓。為了優(yōu)化快速充電，制造商建議用0.8C或者1920mA的電流充電。（可以參考近期的科普文章：什么是倍率。）電池保護(hù)電路充電和放電倍率限制在1C的安全水平。

 

網(wǎng)狀圖形(圖2)表示了鋰-鈷電池在比能量、比功率、安全性、高溫或低溫下的性能、使用壽命(反應(yīng)為循環(huán)次數(shù)和使用時(shí)間)和成本。“蛛網(wǎng)”圖并未包括包括所有屬性以及毒性水平、快速充電功能、自放電和保質(zhì)期等。

 

錳酸鋰(LiMn2O4)

1983年，錳酸鋰首次發(fā)表于《Materials Research Bulletin》。1996年，Moli能源公司就以錳酸鋰作為正極制作成鋰離子電池，并投入了商業(yè)化生產(chǎn)。該公司得到的三維尖晶石結(jié)構(gòu)，改善了電極的離子電導(dǎo)率，從而降低了電池阻抗，甚至提高了電池的熱穩(wěn)定性和安全性，但是卻縮短了循環(huán)次數(shù)和使用壽命。

 

電池阻抗降低，有利于快速充電和大電流放電。18650錳酸鋰電池能實(shí)現(xiàn)20-30A大電流放電，而不會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。它的最大脈沖放電是(1s) 50A。在這種電流下持續(xù)高過載會導(dǎo)致熱積累，然而該電池電池溫度不能超過80C (176F)。錳酸鋰電池被用于電動工具、醫(yī)療器械以及混合動力和電動汽車。

 

初步定型后，錳酸鋰正極會形成三維晶體結(jié)構(gòu)。這種尖晶石結(jié)構(gòu)能夠降低內(nèi)部阻力，但比能卻低于鈷酸鋰。

 

錳酸鋰電池的容量大約比鈷酸鋰電池小1/3，但是儲電量仍比鎳基化學(xué)電池多50%。通過靈活的設(shè)計(jì)，工程師可以盡可能的優(yōu)化電池，要么提高電池使用壽命、功率密度，要么提高電池容量。比如，長壽版的18650電池容量較低只有1100mAh；高容量版的可達(dá)1500mAh，但壽命較短。

 

 

現(xiàn)今大多數(shù)錳基鋰離子電池都混合了鎳和鈷。典型的有LMO/NMC即錳酸鋰/鎳鈷錳

大多數(shù)電池通過混合錳酸鋰和鎳鈷錳鋰氧化物(NMC)來提高電池比能量并延長電池壽命。這種結(jié)合在各個方面都展現(xiàn)出最好的性能，因此LMO (NMC)被廣泛應(yīng)用于電動汽車，像尼桑Leaf、雪佛蘭Volt和寶馬i3等。雪佛蘭Volt車中30%用的這種電池，其中LMO提供大電流來快速加速，NMC提供高續(xù)航力。

表 2:錳酸鋰的特性

鋰鎳鈷錳氧化物(LiNiMnCoO2或NMC)

先進(jìn)電池制造商非常關(guān)注正極材料鎳錳鈷(NMC)。類似鋰錳這些材料，可以制定比能量大或比功率高的材料，但不能兩者兼得。例如，NMC的18650型號的電池中的容量約為2800 mAh并可以提供4-5 A的電流；經(jīng)過比功率優(yōu)化后相同的單元中，其比能量只有2000mWh，但可以提供了20 A的持續(xù)放電電流。硅基負(fù)極鋰電池的容量有4000 mAh，但是其循環(huán)壽命短且容量衰減很快。

 

NMC的秘訣在于結(jié)合了鎳和錳。類比是食鹽，其組成元素的鈉和氯是有毒的，但是混合作為調(diào)味品——鹽用于食物的防腐卻發(fā)揮著很大的作用。鎳的比能量高但其穩(wěn)定性差，錳的尖晶石結(jié)構(gòu)使其阻抗較低，但比能量也低。通過兩種金屬的結(jié)合來增強(qiáng)彼此的長處。NMC是首選的電池材料，在電動自行車和其他電動動力系統(tǒng)等方面使用率很高。NMC通常是鎳、錳、鈷分別占三分之一。由于鈷含量低，從而降低了原材料的成本。其他組合,如鎳鈷錳酸鋰，鈷錳鎳酸鋰，鈷鎳錳酸鋰，錳鎳鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰等材料的金屬元素?fù)诫s比例不同于NMC。制造商對更精確的比例守口如瓶。圖5展示了NMC的特點(diǎn)。

 

磷酸鐵鋰（LiFePO4）

德克薩斯大學(xué)Goodenough等人于1997年發(fā)現(xiàn)磷酸鹽可以作為鋰電池的正極材料。鋰磷酸鹽具有的良好電化學(xué)性能。這使得納米級磷酸鹽材料有可能成為新型鋰電池正極材料。關(guān)鍵在于其倍率性能和循環(huán)性能非常優(yōu)異，而且具有良好的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)了非正常使用的安全性和耐用性。

 

如果在高電壓下保持一段時(shí)間, 磷酸鐵鋰相比其他鋰電池更耐滿充且壓力更小。（可關(guān)注近期將推出的科普：如何延長鋰電池壽命）。相反,3.2v的低電壓相對于錳鋰系的比能量低了很多。與大多數(shù)電池一樣,磷酸鐵鋰電池也會出現(xiàn)在低溫下性能降低、隨存儲溫度升高壽命縮短等問題。磷酸鐵鋰自放電性能比其他系鋰離子電池嚴(yán)重，自放電會隨著老化產(chǎn)生平衡問題。圖9總結(jié)了磷酸鐵鋰的性質(zhì)。

 

通常用磷酸鐵鋰來取代鉛酸蓄電池。四支鋰電池就能串聯(lián)成12.80V的電池組，同樣的電壓則需要6支2V的鉛酸電池。車用鉛酸電池充電到14.40v（2.40v /支）,用4支滿充電壓為3.6V的鋰電池串聯(lián)起來就達(dá)到了。磷酸鐵鋰耐一定的過充，然而因?yàn)榇蠖鄶?shù)汽車為長途駕駛，保持一段時(shí)間14.4V的電壓對鋰電池來說還是有困難的。低溫也成為一個問題。

 

磷酸鐵鋰具有良好的安全性和較長的壽命,但比能量低、低溫性能較其他鋰電池差。相比于其他體系的鋰電池，LFP還具有較高的自放電。

 

鋰鎳鈷鋁氧化物電池(LiNiCoAlO2)

鋰鎳鈷鋁氧化物電池（NCA），自1999年以來一直有特殊用途，并且與NMC一樣，具有較高的比能量、比功率和使用壽命。這也是馬斯科選用NCA作為Tesla電動汽車電池的原因，但是NCA在價(jià)格和安全性方面卻差強(qiáng)人意。圖11顯示了其在未來應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢。NCA是LiNiO2電池的進(jìn)一步發(fā)展，添加Al后，其化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定。

高能量密度和功率密度，優(yōu)秀的使用壽命使NCA成為電動汽車電池的理想選擇。但是價(jià)格和安全性卻是其致命短板。

表5： NCA總結(jié)表

 

鈦酸鋰(Li4Ti5O12)

以鈦酸鋰作為負(fù)極材料的鋰電池在20世紀(jì)90年代逐漸被人所了解。具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰代替了很多鋰電池中作為負(fù)極的石墨，正極是石墨和類似于典型鋰-金屬電池的結(jié)構(gòu)。鈦酸鋰的標(biāo)稱電池電位是2.4 V，可以快速充電，也可以在10 C的倍率（或者額定容量的10 倍）下快速放電。鈦酸鋰作為電池電極材料其循環(huán)性能高于普通鋰電池。鈦酸鋰電池安全，有優(yōu)異的低溫放電性能（在-30℃下可以得到80%的容量）。然而，相對于鎳鎘電池，鈦酸鋰電池的價(jià)格偏高、比能量偏低（65Wh/kg）。鈦酸鋰電池可以充電至2.8V，放電至1.5V。表13 是鈦酸鋰電池應(yīng)用于電動動力系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的性能和特征。

 

鋰鎳鈷鋁氧化物電池比其他系統(tǒng)的容量都要高（僅僅是比能量）。基于功率系數(shù)（載荷特性）和熱穩(wěn)定性，錳酸鋰和磷酸鐵鋰更優(yōu)異。鈦酸鋰盡管容量低價(jià)格高，由于其壽命長使其相比于其他二次電池?fù)碛懈玫幕瘜W(xué)比，同時(shí)它擁有最好的低溫性能。當(dāng)我們面對電動系統(tǒng)時(shí)，安全性和壽命比容量更重要。