不合类型锂电池机能不合在哪里汇总常见六种锂电池特点及参数

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紧张性能参数。

大家都知道，相同技能路线的电芯，其详细参数并不完备相同，本文所显示的是当前参数的一样平常水平。
六种锂电池详细包括：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（LiCoO 2）

其高比能量使钴酸锂成为手机，条记本电脑和数码相机的热门选择。
电池由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成。
阴极具有分层构造，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。
构造形式如图1所示。

图1： 钴酸锂构造

阴极具有分层构造。
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旭日极。

钴酸锂的缺陷是寿命相对较短，热稳定性低和负载能力有限（比功率）。
像其他钴稠浊锂离子电池一样，钴酸锂采取石墨阳极，其循环寿命紧张受到固体电解质界面（SEI）的限定，紧张表现在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，负载能力和降落本钱。

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电池只能以小于即是2,400mA充电和放电。
逼迫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。
为得到最佳快速充电，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定在约1C的安全水平。

六角蜘蛛图（图2）总结了与运行干系的详细能量或容量方面的钴酸锂性能；详细功率或供应大电流的能力； 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； 本钱特性。
蜘蛛图中没有显示的其他主要特色还包括毒性，快速充电能力，自放电和保质期。

由于钴的高本钱以及通过与其他活性阴极材料稠浊材料带来的明显性能改进，钴酸锂正在逐步被锰酸锂替代，尤其是NMC和NCA。
（请参阅下面对NMC和NCA的描述。
）

图2： 均匀钴酸锂电池的蜘蛛图。

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供应一样平常的性能表现

汇总表

钴酸锂氧化物： LiCoO 2阴极（约60％Co），石墨阳极 短型：LCO或Li-钴。
始于1991年以来

电压

标称值为3.60V; 范例事情范围3.0-4.2V /电池

比能（容量）

150-200Wh /公斤。
特种电池供应高达240Wh / kg。

充电（C率）

0.7-1C，充电至4.20V（大部分电池）；范例充电时长 3小时；1C以上的充电电流会缩短电池寿命。

放电（C率）

1C；放电截止电压2.50V。
1C以上的放电电流会缩短电池寿命。

循环寿命

500-1000，与放电深度，负荷，温度有关

热失落控

150C（302F）。
满充状态随意马虎带来热失落控

运用

手机，平板电脑，条记本电脑，相机

注释

非常高的比能量，有限的比功率。
钴很昂贵。
被用作能量型电池。
市场份额稳定。

表3：钴酸锂的特性

锰酸锂（LiMn2O4）

尖晶石锰酸锂电池首次揭橥于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构造，可改进电极上的离子流动，从而降落内部电阻并改进电流承载能力。
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，医疗东西，以及稠浊动力和纯电动汽车。

图4解释在锰酸锂电池的阴极上形成三维晶体骨架。
该尖晶石构造常日由连接成晶格的菱形形状组成，一样平常在电池化成后涌现。

图4：锰酸锂构造。

锰酸锂阴极结晶形成具有在化成后成型的三维骨架构造。
尖晶石供应低电阻，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。
设计灵巧性使工程师能够选择最大限度地延长电池的利用寿命，或者提高最大负载电流（比功率）或容量（比能）。
例如，18650电池的龟龄命版本只有1,100mAh的适中容量; 高容量版本则达到1,500mAh。

图5显示了范例锰酸锂电池的蜘蛛图。
这些特性参数彷佛不太空想，但新设计在功率，安全性和寿命方面有所改进。
纯锰酸锂电池本日不再普遍; 它们只在分外情形下运用。

图5：纯锰酸锂电池的蜘蛛图。
只管整体性能一样平常，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钴氧化物（NMC）稠浊，以提高比能量并延长寿命。
这种组合带来了每个别系的最佳性能，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部分可以达到30％旁边，可以在加速时供应较高的电流; NMC部分供应了很长的续航里程。

锂离子电池研究方向于将锰酸锂与钴，镍，锰和/或铝组互助为活性阴极材料。
在一些架构中，少量硅被添加到阳极。
这供应了25％的容量提升; 然而，硅随着充放电膨胀和紧缩，从而引起机器应力，容量提升常日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。
消费电池须要大容量，而工业运用须要电池系统，具有良好的负载能力，寿命长，并供应安全可靠的做事。

汇总表

锰酸锂氧化物： LiMn2O4阴极，石墨阳极 ； 简称：LMO或Li-Mn（尖晶石构造）始于1996年以来

电压

3.70V（3.80V）标称值; 范例事情范围3.0-4.2V /每只电池

比能（容量）

100-150Wh / kg的

充电（C率）

范例值为0.7-1C，最大值为3C，充电至4.20V（大部分电池）

放电（C率）

1C； 一些电池可以达到10C，30C脉冲（5s），2.50V截止

循环寿命

300-700（与放电深度，温度有关）

热失落控

范例值为250C（482F）。
高电荷促进热失落控

运用

电动工具，医疗设备，电动动力传动系统

注释

功率大但容量少; 比钴酸锂更安全; 常日与NMC稠浊以提高性能。

表6：锰酸锂氧化物的特性

镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO 2或NMC）

最成功的锂离子体系之一是镍锰钴（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的容量并且可以供应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，但可供应20A的连续放电电流。
硅基阳极将达到4000mAh以上，但负载能力降落，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紧缩，使得电池机器应力大构造不稳定。

NMC的秘密在于镍和锰的结合。
与此类似的是食盐，个中紧张身分钠和氯化物本身是有毒的，但将它们稠浊起来作为调味盐和食品保存剂。
镍以其高比能量而有名，但稳定性差；锰尖晶石构造可以实现低内阻但比能量低。
两种活性金属上风互补。

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。
阴极组合常日是三分之一镍，三分之一锰和三分之一钴，也被称为1-1-1。
这供应了一种独特的稠浊物，由于钴含量降落，也降落了原材料本钱。
另一个成功的组合是NCM，个中含有5份镍，3份钴和2份锰（5-3-2）。
也可以利用其他不同量的阴极材料组合。

由于钴的高本钱，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，更低的本钱和更长的循环寿命，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稠浊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稠浊，以适应须要频繁循环的汽车和能源存储系统（EES）的广泛运用。
NMC家族的多样性正在增长。

汇总表

锂镍锰钴氧化物： LiNiMnCoO2阴极，石墨阳极简称：NMC（NCM，CMN，CNM，MNC，MCN类似于不同金属组合）始于2008年

电压

3.60V，标称3.70V; 电池范例事情范围3.0-4.2V或更高

比能（容量）

150-220Wh/kg

充电（C率）

0.7-1C，充电至4.20V，一些至4.30V; 3小时范例充电。
1C以上的充电电流会缩短电池寿命。

放电（C率）

1C; 2C可能在某些电芯上可行；2.50V截止

循环寿命

1000-2000（与放电深度，温度有关）

热失落控

范例的210C（410F）。
高电荷促进热失落控

运用

电动自行车，医疗设备，电动车，工业

注释

供应高容量和高功率。
稠浊电芯。
受到多种用场的欢迎，市场份额不断增加。

表8： 锂镍锰钴氧化物（NMC）的特性。

磷酸铁锂（LiFePO 4）

1996年，德克萨斯大学创造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。
紧张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。

如果永劫光保持在高电压下，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。
缺陷是，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。
对付大多数电池来说，低温会降落性能，升高储存温度会缩短利用寿命，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，虽然可以通过选用高质量的电池或利用前辈的电池管理系统来填补，但这两种办法都增加了电池组的本钱。
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备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，这是精确的满充电电压。
此时，该当断开充电，但驾驶时连续充电。
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永劫光保持电压在14.40V，可能会增加磷酸锂电池的机器应力。
韶光会见告我们磷酸锂作为铅酸电池的替代品能够承受多永劫光的过充电。
低温也会降落锂离子的性能，可能会影响极度情形下的起动能力。

图9：范例磷酸锂电池的蜘蛛图。

磷酸锂具有良好的安全性和龟龄命，比能量适中，自放电能力增强。

由Cadex供应

汇总表

磷酸铁锂： LiFePO4阴极，石墨阳极 简称：LFP或磷酸锂，始于1996年

电压

3.20，标称值3.30V; 范例事情范围2.5-3.65V

比能（容量）

90-120Wh/kg

充电（C率）

1C范例，充电至3.65V；范例的3小时充电韶光

放电（C率）

1C，25C在一些电芯上可行; 40A脉冲（2s）; 2.50V截止（低于2V导致破坏）

循环寿命

1000-2000（与放电深度，温度有关）

热失落控

270C（518F）纵然充满电，电池也非常安全

运用

便携式和固定式，须要高负载电流和耐久性的运用处景

注释

非常平坦的电压放电曲线但容量低。
最安全的锂离子之一。
用于分外市场。
高自放电。

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年往后被运用。
它具有较高的比能量，相称好的比功率和长的利用寿命与NMC有相似之处。
不太讨人喜好的是安全性和本钱。
图11总结了六个关键特色。
NCA是锂镍氧化物的进一步发展；加入铝授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良好的利用寿命使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。

汇总表

镍钴铝酸锂： LiNiCoAlO2阴极（〜9 ％Co），石墨阳极 简称：NCA或锂铝。
始于1999年

电压

标称值为3.60V；范例事情范围3.0-4.2V

比能（容量）

200-260Wh/公斤; 预测可以达到300Wh/kg

充电（C率）

0.7C，充电至4.20V（大多数电池），范例的3小时充电，一些电池可以快速充电

放电（C率）

1C范例；截止3.00V；高放电速率会缩短电池寿命

循环寿命

500（与放电深度，温度有关）

热失落控

范例值为150C（302F），高电荷会导致热失落控

运用

医疗设备，工业，电动动力总成（特斯拉）

注释

与钴酸锂有相似之处。
能量型电池。

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。
钛酸锂代替范例锂离子电池阳极中的石墨，并且材料形成尖晶石构造。
阴极可以是锰酸锂或NMC。
钛酸锂的标称电池电压为2.40V，可以快速充电，并供应10C的高放电电流。
听说循环次数高于常规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-30C（-22F）时可得到80％的容量。

LTO（常日是Li4Ti5 O12）零应变，没有SEI膜形成和在快速充电和低温充电时无锂电镀征象，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性能。
高温下的热稳定性也比其他锂离子体系好; 然而，电池价格昂贵。
比能量低，只有65Wh/kg，与NiCd相称。
钛酸锂充电至2.80V，放电结束时为1.80V。
图13显示了钛酸锂电池的特性。
范例用场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，低温性能和寿命方面表现出色。
正在努力提高比能量和降落本钱。

汇总表

钛酸锂：可以是锰酸锂氧化物或NMC；Li4Ti 5O12（钛酸盐）阳极简称：LTO或Li-钛酸盐，2008年旁边开始发卖。

电压

2.40V标称值； 范例事情范围1.8-2.85V；

比能（容量）

50-80Wh/kg

充电（C率）

1C范例； 最大5C，充电至2.85V

放电（C率）

10C可能，30C 5s脉冲； LCO/LTO截止电压1.80V

循环寿命

3,000-7,000

热失落控

一种最安全的锂离子电池

运用

UPS，电动动力总成（三菱i-MiEV，本田飞度EV），太阳能路灯

注释

寿命长，充电快，温度范围宽，比能量低，价格昂贵。
最安全的锂离子电池。

表14：钛酸锂的特性

图15比较了基于铅，镍和锂体系的比能。
虽然锂铝（NCA）通过比其他系统储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利用。
就比功率和热稳定性而言，锰酸锂（LMO）和磷酸锂（LFP）精良。
钛酸锂（LTO）的容量可能较低，但它的寿命超过了其他大多数电池，并且具有最佳的低温性能。

图15：铅，镍和锂基电池的范例比能量

NCA享有最高的比能量； 然而，锰酸锂和磷酸铁锂在比功率和热稳定性方面优胜。
钛酸锂具有最好的利用寿命。

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