不同類型鋰電池性能不同在哪裡，匯總常見六種鋰電池特性及參數

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。大家都知道，相同技術路線的電芯，其具體參數並不完全相同，本文所顯示的是當前參數的一般水平。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。陰極具有分層結構，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。 結構形式如圖1所示。

圖1： 鈷酸鋰結構

陰極具有分層結構。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，熱穩定性低和負載能力有限（比功率）。像其他鈷混合鋰離子電池一樣，鈷酸鋰採用石墨陽極，其循環壽命主要受到固體電解質界面（SEI）的限制，主要表現在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，負載能力和降低成本。

鈷酸鋰不應以高於容量的電流進行充電和放電。這意味著具有2,400mAh的18650電池只能以小於等於2,400mA充電和放電。強制快速充電或施加高於2400mA的負載會導致過熱和超負荷的應力。為獲得最佳快速充電，製造商建議充電倍率為0.8C或約2,000mA。電池保護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）總結了與運行相關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； 在高低溫環境下的性能表現； 壽命包括日曆壽命和循環壽命； 成本特性。蜘蛛圖中沒有顯示的其他重要特徵還包括毒性，快速充電能力，自放電和保質期。

由於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。）

圖2： 平均鈷酸鋰電池的蜘蛛圖

鈷酸鋰在高比能量方面表現出色，但在功率特性、安全性和循環壽命方面只能提供一般的性能表現

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表3：鈷酸鋰的特性

錳酸鋰（LiMn2O4）

尖晶石錳酸鋰電池首次發表於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化。該架構形成三維尖晶石結構，可改善電極上的離子流動，從而降低內部電阻並改善電流承載能力。尖晶石的另一個優點是熱穩定性高，安全性提高，但循環和日曆壽命有限。

低電池內阻可實現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，並具有適度的熱量積累。也可以施加高達50A1秒負載脈衝。在此電流下持續的高負荷會導致熱量積聚，電池溫度不能超過80°C（176°F）。錳酸鋰用於電動工具，醫療器械，以及混合動力和純電動汽車。

圖4說明在錳酸鋰電池的陰極上形成三維晶體骨架。該尖晶石結構通常由連接成晶格的菱形形狀組成，一般在電池化成後出現。

圖4：錳酸鋰結構。

錳酸鋰陰極結晶形成具有在化成後成型的三維骨架結構。尖晶石提供低電阻，但比能量低於鈷酸鋰。

錳酸鋰的容量大約比鈷酸鋰低三分之一。設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。這些特性參數似乎不太理想，但新設計在功率，安全性和壽命方面有所改進。純錳酸鋰電池今天不再普遍; 它們只在特殊情況下應用。

圖5：純錳酸鋰電池的蜘蛛圖。

儘管整體性能一般，但新型錳酸鋰設計可以提高功率，安全性和壽命。

大多數錳酸鋰與鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）混合，以提高比能量並延長壽命。這種組合帶來了每個系統的最佳性能，而大多數電動汽車，如日產Leaf，雪佛蘭Volt和寶馬i3都選用了LMO（NMC）。電池的LMO部分可以達到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航里程。

鋰離子電池研究傾向於將錳酸鋰與鈷，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，從而引起機械應力，容量提升通常與短的循環壽命緊密聯繫。

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（負載能力）或壽命。消費電池需要大容量，而工業應用需要電池系統，具有良好的負載能力，壽命長，並提供安全可靠的服務。

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表6：錳酸鋰氧化物的特性

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，這個體系可以定製用作能量電池或功率電池。例如，中等負載條件下的18650電池中的NMC具有約2,800mAh的容量並且可以提供4A至5A放電電流； 同一類型的NMC在針對特定功率進行優化時，容量僅為2,000mAh，但可提供20A的連續放電電流。硅基陽極將達到4000mAh以上，但負載能力降低，循環壽命縮短。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，使得電池機械應力大結構不穩定。

NMC的秘密在於鎳和錳的結合。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味鹽和食品保存劑。鎳以其高比能量而聞名，但穩定性差；錳尖晶石結構可以實現低內阻但比能量低。兩種活性金屬優勢互補。

NMC是電動工具，電動自行車和其他電動動力系統的首選電池。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，由於鈷含量降低，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。

由於鈷的高成本，電池製造商從鈷系轉向鎳陰極。鎳基系統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壽命，但是它們的電壓略低。

新型電解質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。

圖7：NMC的蜘蛛圖

NMC具有良好的整體性能，並且在比能量方面表現出色。這種電池是電動車的首選，具有最低的自熱率。

由於該體系經濟性和綜合性能表現均比較好，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鬆混合，以適應需要頻繁循環的汽車和能源存儲系統（EES）的廣泛應用。NMC家族的多樣性正在增長。

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表8： 鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）的特性。

磷酸鐵鋰（LiFePO 4）

1996年，德克薩斯大學發現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性能和低電阻。這是通過納米級磷酸鹽陰極材料實現的。主要優點是高額定電流和長循環壽命；良好的熱穩定性，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，並且比其他鋰離子系統的應力更小。缺點是，較低的3.2V電池標稱電壓使得比能量低於鈷摻雜鋰離子電池。對於大多數電池來說，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而帶來均衡問題，雖然可以通過選用高質量的電池或使用先進的電池管理系統來彌補，但這兩種方式都增加了電池組的成本。電池壽命對製造過程中的雜質非常敏感，不能承受水分的摻雜，由於水分雜質的存在有些電池最短壽命只有50個循環。圖9總結了磷酸鋰的屬性。

常用磷酸鋰代替鉛酸起動蓄電池。四個串聯電池產生12.80V，與六個2V鉛酸電池串聯的電壓相似。車輛將鉛酸充電至14.40V（2.40V/電池）並保持浮充狀態。浮充的用意在於保持完全充電水平並防止鉛酸電池硫酸化。

通過串聯四個磷酸鋰電池，每個電池的電壓均為3.60V，這是正確的滿充電電壓。此時，應該斷開充電，但駕駛時繼續充電。磷酸鋰容忍一些過度充電; 然而，由於大多數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。

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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年以後被應用。它具有較高的比能量，相當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總結了六個關鍵特徵。NCA是鋰鎳氧化物的進一步發展；加入鋁賦予電池更好的化學穩定性。

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動力系統的候選者。高成本和邊際安全性卻有負面的影響。

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表12：鎳鈷鋁酸鋰的特性

鈦酸鋰（Li4Ti5O12）

自二十世紀八十年代以來，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，並且材料形成尖晶石結構。陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的標稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，並提供10C的高放電電流。據說循環次數高於常規鋰離子電池的循環次數。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）零應變，沒有SEI膜形成和在快速充電和低溫充電時無鋰電鍍現象，因而具有優於傳統的鈷摻混的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。鈦酸鋰充電至2.80V，放電結束時為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，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出色。正在努力提高比能量和降低成本。

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表14：鈦酸鋰的特性

圖15比較了基於鉛，鎳和鋰體系的比能。雖然鋰鋁（NCA）通過比其他系統儲存更多容量而成為明顯的贏家，但它僅適用於特定場景的電源使用。就比功率和熱穩定性而言，錳酸鋰（LMO）和磷酸鋰（LFP）優異。鈦酸鋰（LTO）的容量可能較低，但它的壽命超過了其他大多數電池，並且具有最佳的低溫性能。

圖15：鉛，鎳和鋰基電池的典型比能量

NCA享有最高的比能量； 然而，錳酸鋰和磷酸鐵鋰在比功率和熱穩定性方面優越。鈦酸鋰具有最好的使用壽命。

本文由「動力電池技術」翻譯整理自電池學院，只做學習交流之用；其餘圖片來自互聯網公開資料。

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