锂电池的特性跟参数有什么？

咱们常常会说到三元锂电池或许铁锂电池，这些都是按照正极活性资料来给锂电池命名的。本文汇总六种常见锂电池类型以及它们的首要功能参数。

大家都知道，相同技术道路的电芯，其详细参数并不完全相同，本文所显现的是当前参数的一般水平。六种锂电池详细包含：钴酸锂（LiCoO2），锰酸锂（LiMn2O4），镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2或NMC），镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或称NCA），磷酸铁锂（LiFePO4），钛酸锂（Li4Ti5O12）。

钴酸锂（LiCoO2）

其高比能量使钴酸锂成为手机，笔记本电脑和数码相机的热门挑选。电池由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成。阴极具有分层结构，在放电期间，锂离子从阳极移动到阴极，充电进程则流动方向相反。结构方式如图1所示。

图1：钴酸锂结构

阴极具有分层结构。在放电期间，锂离子从阳极移动到阴极;充电时流量从阴极流向阳极。

钴酸锂的缺点是寿数相对较短，热稳定性低和负载才能有限（比功率）。像其他钴混合锂离子电池相同，钴酸锂选用石墨阳极，其循环寿数首要遭到固体电解质界面（SEI）的约束，首要体现在SEI膜的逐渐增厚，和快速充电或许低温充电进程的阳极镀锂问题。较新的资料系统添加了镍，锰和/或铝以进步寿数，负载才能和下降本钱。钴酸锂不应以高于容量的电流进行充电和放电。这意味着具有2，400mAh的18650电池只能以小于等于2，400mA充电和放电。强制快速充电或施加高于2400mA的负载会导致过热和超负荷的应力。为获得最佳快速充电，制作商主张充电倍率为0.8C或约2，000mA。电池维护电路将能量单元的充电和放电速率约束在约1C的安全水平。六角蜘蛛图（图2）总结了与运行相关的详细能量或容量方面的钴酸锂功能；详细功率或供给大电流的才能；安全；在高低温环境下的功能体现；寿数包含日历寿数和循环寿数；本钱特性。蜘蛛图中没有显现的其他重要特征还包含毒性，快速充电才能，自放电和保质期。因为钴的高本钱以及经过与其他活性阴极资料混合资料带来的明显功能改善，钴酸锂正在逐渐被锰酸锂替代，尤其是NMC和NCA。（请参阅下面对NMC和NCA的描述。）

图2：平均钴酸锂电池的蜘蛛图。

钴酸锂在高比能量方面体现出色，但在功率特性、安全性和循环寿数方面只能供给一般的功能体现

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表3：钴酸锂的特性

锰酸锂（LiMn2O4）

尖晶石锰酸锂电池初次发表于1983年的资料研究报告中。1996年，Moli能源公司将锰酸锂为阴极资料的锂离子电池商业化。该架构构成三维尖晶石结构，可改善电极上的离子流动，然后下降内部电阻并改善电流承载才能。尖晶石的另一个优点是热稳定性高，安全性进步，但循环和日历寿数有限。低电池内阻可完成快速充电和大电流放电。18650型电芯，锰酸锂电池能够在20-30A的电流下放电，并具有适度的热量堆集。也能够施加高达50A1秒负载脉冲。在此电流下继续的高负荷会导致热量积聚，电池温度不能超过80°C（176°F）。锰酸锂用于电动工具，医疗器械，以及混合动力和纯电动汽车。图4说明在锰酸锂电池的阴极上构成三维晶体骨架。该尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形形状组成，一般在电池化成后呈现。

图4：锰酸锂结构。锰酸锂阴极结晶构成具有在化成后成型的三维骨架结构。尖晶石供给低电阻，但比能量低于钴酸锂。

锰酸锂的容量大约比钴酸锂低三分之一。规划灵活性使工程师能够挑选最大极限地延伸电池的使用寿数，或许进步最大负载电流（比功率）或容量（比能）。例如，18650电池的长寿数版别只要1，100mAh的适中容量;高容量版别则到达1，500mAh。图5显现了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。这些特性参数好像不太理想，但新规划在功率，安全性和寿数方面有所改进。纯锰酸锂电池今日不再普遍;它们只在特殊情况下使用。

图5：纯锰酸锂电池的蜘蛛图。尽管全体功能一般，但新式锰酸锂规划能够进步功率，安全性和寿数。

大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合，以进步比能量并延伸寿数。这种组合带来了每个系统的最佳功能，而大多数电动汽车，如日产Leaf，雪佛兰Volt和宝马i3都选用了LMO（NMC）。电池的LMO部分能够到达30％左右，能够在加快时供给较高的电流;NMC部分供给了很长的续航里程。锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钴，镍，锰和/或铝组合作为活性阴极资料。在一些架构中，少数硅被添加到阳极。这供给了25％的容量提高;但是，硅跟着充放电胀大和收缩，然后引起机械应力，容量提高通常与短的循环寿数紧密联系。能够方便地挑选这三种活性金属以及硅增强来进步比能（容量），比功率（负载才能）或寿数。消费电池需求大容量，而工业使用需求电池系统，具有杰出的负载才能，寿数长，并供给安全可靠的服务。

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表6：锰酸锂氧化物的特性

镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2或NMC）

最成功的锂离子系统之一是镍锰钴（NMC）的阴极组合。与锰酸锂相似，这个系统能够定制用作能量电池或功率电池。例如，中等负载条件下的18650电池中的NMC具有约2，800mAh的容量而且能够供给4A至5A放电电流；同一类型的NMC在针对特定功率进行优化时，容量仅为2，000mAh，但可供给20A的连续放电电流。硅基阳极将到达4000mAh以上，但负载才能下降，循环寿数缩短。添加到石墨中的硅具有缺点，即阳极跟着充电和放电而胀大和收缩，使得电池机械应力大结构不稳定。NMC的隐秘在于镍和锰的结合。与此相似的是食盐，其间首要成分钠和氯化物自身是有毒的，但将它们混合起来作为调味盐和食品保存剂。镍以其高比能量而出名，但稳定性差；锰尖晶石结构能够完成低内阻但比能量低。两种活性金属优势互补。

NMC是电动工具，电动自行车和其他电动动力系统的首选电池。阴极组合通常是三分之一镍，三分之一锰和三分之一钴，也被称为1-1-1。这供给了一种独特的混合物，因为钴含量下降，也下降了原资料本钱。另一个成功的组合是NCM，其间含有5份镍，3份钴和2份锰（5-3-2）。也能够使用其他不同量的阴极资料组合。因为钴的高本钱，电池制作商从钴系转向镍阴极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度，更低的本钱和更长的循环寿数，可是它们的电压略低。新式电解质和添加剂能够使单只电池充电至4.4V以上，然后进步电量。

图7展示了NMC的特性。

图7：NMC的蜘蛛图。NMC具有杰出的全体功能，而且在比能量方面体现出色。这种电池是电动车的首选，具有最低的自热率。

因为该系统经济性和归纳功能体现均比较好，因此NMC混合锂离子电池越来越遭到重视。镍，锰和钴三种活性资料可轻松混合，以适应需求频繁循环的汽车和能源存储系统（EES）的广泛使用。NMC家族的多样性正在增长。汇总表

表8：锂镍锰钴氧化物（NMC）的特性。

磷酸铁锂（LiFePO4）

1996年，德克萨斯大学发现磷酸盐可作为再充电锂电池的阴极资料。磷酸锂具有杰出的电化学功能和低电阻。这是经过纳米级磷酸盐阴极资料完成的。首要优点是高额定电流和长循环寿数；杰出的热稳定性，增强了安全性和对滥用的容忍度。假如长时刻坚持在高电压下，磷酸锂对全部充电条件的耐受性更强，而且比其他锂离子系统的应力更小。缺点是，较低的3.2V电池标称电压使得比能量低于钴掺杂锂离子电池。关于大多数电池来说，低温会下降功能，升高贮存温度会缩短使用寿数，磷酸锂也不破例。磷酸锂具有比其他锂离子电池更高的自放电，这可能会引起老化从而带来均衡问题，尽管能够经过选用高质量的电池或使用先进的电池管理系统来弥补，但这两种方式都添加了电池组的本钱。电池寿数对制作进程中的杂质非常灵敏，不能接受水分的掺杂，因为水分杂质的存在有些电池最短寿数只要50个循环。

图9总结了磷酸锂的属性。常用磷酸锂替代铅酸起动蓄电池。四个串联电池发生12.80V，与六个2V铅酸电池串联的电压相似。车辆将铅酸充电至14.40V（2.40V/电池）并坚持浮充状态。浮充的用意在于坚持完全充电水平并避免铅酸电池硫酸化。经过串联四个磷酸锂电池，每个电池的电压均为3.60V，这是正确的满充电电压。此时，应该断开充电，但驾驶时继续充电。磷酸锂容忍一些过度充电;但是，因为大多数车辆在长途旅行中长时刻坚持电压在14.40V，可能会添加磷酸锂电池的机械应力。时刻会告诉咱们磷酸锂作为铅酸电池的替代品能够接受多长时刻的过充电。低温也会下降锂离子的功能，可能会影响极点情况下的起动才能。

图9：典型磷酸锂电池的蜘蛛图。磷酸锂具有杰出的安全性和长寿数，比能量适中，自放电才能增强。由Cadex供给

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表10：磷酸铁锂的特性

镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或称NCA）

镍钴铝酸锂电池或NCA自1999年以后被使用。它具有较高的比能量，相当好的比功率和长的使用寿数与NMC有相似之处。不太讨人喜欢的是安全性和本钱。

图11总结了六个要害特征。NCA是锂镍氧化物的进一步开展；参加铝赋予电池更好的化学稳定性。

图11：NCA的蜘蛛图。高能量和功率密度以及杰出的使用寿数使NCA成为EV动力系统的候选者。高本钱和边际安全性却有负面的影响。

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表12：镍钴铝酸锂的特性

钛酸锂（Li4Ti5O12）

自二十世纪八十年代以来，钛酸锂阳极的电池已为人所知。钛酸锂替代典型锂离子电池阳极中的石墨，而且资料构成尖晶石结构。阴极能够是锰酸锂或NMC。钛酸锂的标称电池电压为2.40V，能够快速充电，并供给10C的高放电电流。据说循环次数高于惯例锂离子电池的循环次数。钛酸锂是安全的，具有出色的低温放电特性，在-30°C（-22°F）时可获得80％的容量。LTO（通常是Li4Ti5O12）零应变，没有SEI膜构成和在快速充电和低温充电时无锂电镀现象，因而具有优于传统的钴掺混的Li-离子与石墨阳极的充放电功能。高温下的热稳定性也比其他锂离子系统好;但是，电池价格昂贵。比能量低，只要65Wh/kg，与NiCd相当。钛酸锂充电至2.80V，放电结束时为1.80V。图13显现了钛酸锂电池的特性。典型用途是电动动力传动系统，UPS和太阳能路灯。

图13：钛酸锂蜘蛛图。钛酸锂在安全性，低温功能和寿数方面体现出色。正在努力进步比能量和下降本钱。

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表14：钛酸锂的特性

图15比较了基于铅，镍和锂系统的比能。尽管锂铝（NCA）经过比其他系统贮存更多容量而成为明显的赢家，但它仅适用于特定场景的电源使用。就比功率和热稳定性而言，锰酸锂（LMO）和磷酸锂（LFP）优异。钛酸锂（LTO）的容量可能较低，但它的寿数超过了其他大多数电池，而且具有最佳的低温功能。

图15：铅，镍和锂基电池的典型比能量

NCA享有最高的比能量；但是，锰酸锂和磷酸铁锂在比功率和热稳定性方面优越。钛酸锂具有最好的使用寿数。