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1、常见六种锂电池特性及参数对比我们常常会说到三元锂电池或者铁锂电池，这些都是按照正极活 性材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 主要性能参数。大家都知道，相同技术路线的电芯，其具体参数并不 完全相同，本文所显示的是当前参数的一般水平。六种锂电池具体包 括：钻酸锂（LiCoO2 ）,锰酸锂（LiMn2O4 ）,镍钻锰酸锂（LiNiMnCoO2 或 NMC ），镍钻铝酸锂（LiNiCoAIO2 或称 NCA ）, 磷酸铁锂（LiFePO4 ），钛酸锂（Li4Ti5O12 ）。钻酸锂（LiCoO 2） 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选 择。电池由氧化钴阴极
2、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，充电过程则流动方向相反。 结构 形式如图1所示。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。钴酸锂的缺点是寿命相对较短，热稳定性低和负载能力有限（比 功率）。像其他钴混合锂离子电池一样，钴酸锂采用石墨阳极，其循 环寿命主要受到固体电解质界面（SEI）的限制，主要表现在SEI膜的 逐渐增厚，和快速充电或者低温充电过程的阳极镀锂问题。较新的材 料体系增加了镍，锰和/或铝以提高寿命，负载能力和降低成本。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 1865
3、0 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，制造商建议充电倍率为 0.8C 或约 2,000mA。 电池保护电路将能量单元的充电和放电速率限制在约1C的安全水平。六角蜘蛛图（图2）总结了与运行相关的具体能量或容量方面的钴 酸锂性能；具体功率或提供大电流的能力；安全； 在高低温环境下的 性能表现； 寿命包括日历寿命和循环寿命； 成本特性。蜘蛛图中没有 显示的其他重要特征还包括毒性，快速充电能力，自放电和保质期。由于钴的高成本以及通过与其他活性阴极材料混合材料带来的明 显性能改善，钻酸锂正在逐步被
4、锰酸锂替代，尤其是NMC和NCA。（请参阅下面对NMC和NCA的描述。）CostLife spanSpecific powerSpecific energy图2 :平均钻酸锂电池的蜘蛛图。 钴酸锂在高比能量方面表现出色，但在功率特性、安全性和循环寿命方面只能提供一般的性能表现汇总表钻酸锂氧比物：LiCcO 2约&0-:Co),石星阳极短型：LCO或Li一钻。始于年以来电压标称lW3.60V.典型工作范围3.0-4.2V比能容蚩150-2 00Wh丿型斤a特种电池提供高达240Wh丿kg.充电G率O.-1C；充电至斗-20V啜大部井电也典型充电吋长3小吋；1C以.上的充电电建会缩短电池寿命。iC
5、i敢电截止电S2.50Vo 1G區上的潼电电流会缩短电池寿命循环寿命500-1 000,吕预电深度，员荷，温度有关熱失控J50C f302F。满充状态容易带来熱失控应用手机平换电価，笙记本电脑相机注释非常直的比龍壬有限的比功率。钛很昂贵。被用作能量型电表3 :钻酸锂的特性锰酸锂(LiM n2O4)尖晶石锰酸锂电池首次发表于 1983 年的材料研究报告中。1996 年，Moli能源公司将锰酸锂为阴极材料的锂离子电池商业化。该架构 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 并改善电流承载能力。尖晶石的另一个优点是热稳定性高，安全性提 高，但循环和日历寿命有限。低电池内阻可实现快
6、速充电和大电流放电。 18650 型电芯，锰酸 锂电池可以在20-30A的电流下放电，并具有适度的热量积累。也可以 施加高达 50A1 秒负载脉冲。在此电流下持续的高负荷会导致热量积 聚，电池温度不能超过80C(176F)。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形成三维晶体骨架。该尖晶石结 构通常由连接成晶格的菱形形状组成，一般在电池化成后出现。Manganese Oxide* Lithium Ions图4 :锰酸锂结构。锰酸锂阴极结晶形成具有在化成后成型的三维骨架结构。尖晶石提供低电阻，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
7、。设计灵活性使工程师能 够选择最大限度地延长电池的使用寿命，或者提高最大负载电流（比 功率） 或容量（ 比能） 。 例如， 18650 电池的长寿命版本只有 1,100mAh的适中容量;高容量版本则达到1,500mAh。图 5 显示了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。这些特性参数似乎不太理 想，但新设计在功率，安全性和寿命方面有所改进。纯锰酸锂电池今天不再普遍; 它们只在特殊情况下应用。图 5：纯锰酸锂电池的蜘蛛图。尽管整体性能一般，但新型锰酸锂设计可以提高功率，安全性和 寿命。大多数锰酸锂与锂镍锰钻氧化物（NMC ）混合，以提高比能量并 延长寿命。这种组合带来了每个系统的最佳性能，而大多数电动汽车，
8、如:日产Leaf（参数|图片），雪佛兰=JVolt（参数|图片）和宝马：Ji3（参 数|图片）都选用了 LMO（ NMC）。电池的LMO部分可以达到30%左 右，可以在加速时提供较高的电流；NMC部分提供了很长的续航里程。锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钻，镍，锰和/或铝组合作为活性阴极材料。在一些架构中，少量硅被添加到阳极。这提供了 25的 容量提升; 然而，硅随着充放电膨胀和收缩，从而引起机械应力，容量 提升通常与短的循环寿命紧密联系。可以方便地选择这三种活性金属以及硅增强来提高比能（容量）， 比功率（负载能力）或寿命。消费电池需要大容量，而工业应用需要 电池系统，具有良好的负载能力，寿命长
9、，并提供安全可靠的服务。锚醴锂氧化放：Li讪1204阴极，石羞阳极简称：LMQ或Li-Jn英尖晶石结构始于19曲年氏来电压亢电匚率工了0/ ；：C3.S0Vr 称僖；典型工作范围3.0-4.2V /毎只邑泡100-15QWh / leg的麹型值为0 一了 -1C几最天值为3 C ,充电至4 20W：/丈部鄴电 池：）狠环寿命300-700：与放电深度，湛宸有关）.製失控曲型値为25AC 282T）。高电荷促逬熱失控应用电动工具医疗设备：电动动力传动系统1C； 一些电池可以达到10C,汕C脉冲（5$注釋X丈怛容里少；比钻釀锂更女全；逋帛帥以提高表6 :锰酸锂氧化物的特性镍钻锰酸锂（LiNiMnC
10、oO 2或NMC）最成功的锂离子体系之一是镍锰钻（NMC ）的阴极组合。与锰酸 锂类似，这个体系可以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的容量并且可以 提供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，但可提供20A的连续放电电流。硅基阳极将达到 4000mAh 以上，但负载能力降低，循环寿命缩短。添加到石 墨中的硅具有缺陷，即阳极随着充电和放电而膨胀和收缩，使得电池 机械应力大结构不稳定。NMC 的秘密在于镍和锰的结合。与此类似的是食盐，其中主要成 分钠和氯化物本身是有毒的，但将它们混合
11、起来作为调味盐和食品保 存剂。镍以其高比能量而闻名，但稳定性差；锰尖晶石结构可以实现 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。这提供了一种独特的混合物，由于钴含量降低，也降低了原材料 成本。另一个成功的组合是NCM，其中含有5份镍，3份钻和2份锰 （5-3-2）。也可以使用其他不同量的阴极材料组合。由于钴的高成本，电池制造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，更低的成本和更长的循环寿命，但是它 们的电压略低。新型电解质和添加剂可以使单只电
12、池充电至4.4V以上，从而提高 电量。图7展示了 NMC的特性。图7 : NMC的蜘蛛图。NMC具有良好的整体性能，并且在比能量方面表现出色。这种电池是电动车的首选，具有最低的自热率。由于该体系经济性和综合性能表现均比较好，因此NMC混合锂离 子电池越来越受到重视。镍，锰和钴三种活性材料可轻松混合，以适 应需要频繁循环的汽车和能源存储系统（EES ）的广泛应用。NMC家 族的多样性正在增长。汇总表锂镇您钻氧化物：LiNiMnCoO?阴极，石蚩阳极简称；NMC （NCM, CLIN； CNM, MNC , hICM类似于不同金属组合）皓于200B年巳.玉3.60V,标j:3.70V；岂也典型工乍
13、范围3.0-4.2VsJi更高花琵（谷0、150-220Wh/kg充电（匚 D.7-1C ；亢电主4.20V；一些i4.3DV；30典型亢电，1匚以上的亢盖】电电谎士缩短电池寿命加屯（C1C： 2C刁能在芫些电芯上可行；2-50V就止盔、循环青命1000-2000 ：弓放电深度，温度有关）-fc-h i-l 4Htdh HI W-i c 亠 e n ji-t. F ji * e c l -i- i-l. h tn 、44 -fc-h M-应月冃动曰彳二车，医疗设备；电寸三，工业注鄴桿匸昌書重和rtiU率。届言仁亏到滲种用守的盘讣，市方忡罰不tbCkri -hn表8 :锂镍锰钻氧化物（NMC ）
14、的特性。磷酸铁锂（LiFePO 4 ）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材 料。磷酸锂具有良好的电化学性能和低电阻。这是通过纳米级磷酸盐 阴极材料实现的。主要优点是高额定电流和长循环寿命；良好的热稳 定性，增强了安全性和对滥用的容忍度。如果长时间保持在高电压下，磷酸锂对全部充电条件的耐受性更 强，并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。对于大多数电池来说，低 温会降低性能，升高储存温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。磷 酸锂具有比其他锂离子电池更高的自放电，这可能会引起老化进而带 来均衡问题，虽然可以通过选用
15、高质量的电池或使用先进的电池管理 系统来弥补，但这两种方式都增加了电池组的成本。电池寿命对制造 过程中的杂质非常敏感，不能承受水分的掺杂，由于水分杂质的存在 有些电池最短寿命只有50 个循环。图 9 总结了磷酸锂的属性。常用磷酸锂代替铅酸起动蓄电池。四个串联电池产生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）并保持浮充状态。浮充的用意在于保持完全充电水平 并防止铅酸电池硫酸化。通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; 然而，由于大多数车辆在长途旅行中长时间保持电 压在14.40V，可能会增加磷酸锂电池的机械应力。时间会告诉我们磷 酸锂作为铅酸电池的替代品能够承受多长时间的过充电。低温也会降 低锂离子的性能，可能会影响极端情况下的起动能力。Spedfk; energyCostESpecifkpowerLife span.Safety图9 :典型磷酸锂电池的蜘蛛图。磷酸锂具有良好的安全性和长寿命，比能量适中，自放电能力增
