鉅大LARGE | 點擊量：6607次 | 2018年04月23日
不同類型鋰電池性能有什么不同，六種常見鋰電池特性及參數
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，其具體參數并不完全相同，本文所顯示的是當前參數的一般水平。三種鋰電池具體包括：鈷酸鋰（LiCoO2），錳酸鋰（LiMn2O4），鎳鈷錳酸鋰（LiNiMnCoO2或NMC）。
鈷酸鋰（LiCoO2）
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。
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，鈷酸鋰采用石墨陽極，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。鈷酸鋰不應以高于容量的電流進行充電和放電。這意味著具有2,400mAh的18650電池只能以小于等于2,400mA充電和放電。強制快速充電或施加高于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，制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；壽命包括日歷壽命和循環壽命；成本特性。蜘蛛圖中沒有顯示的其他重要特征還包括毒性，快速充電能力，自放電和保質期。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。）
錳酸鋰（LiMn2O4）
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
尖晶石錳酸鋰電池首次發表于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，從而降低內部電阻并改善電流承載能力。尖晶石的另一個優點是熱穩定性高，安全性提高，但循環和日歷壽命有限。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，并具有適度的熱量積累。也可以施加高達50A1秒負載脈沖。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）。錳酸鋰用于電動工具，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，一般在電池化成后出現。
錳酸鋰陰極結晶形成具有在化成后成型的三維骨架結構。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。
盡管整體性能一般，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，以提高比能量并延長壽命。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，并提供安全可靠的服務。
鎳鈷錳酸鋰（LiNiMnCoO2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的秘密在于鎳和錳的結合。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。
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