六种常见锂电池类型以及它们的主要性能参数汇总

钴酸锂（LiCoO 2）

钴酸锂的高比能量使其成为手机、笔记本电脑和数码相机的热门选择。 该电池由氧化钴正极和石墨碳负极组成。 阴极具有层状结构，锂离子在放电时从阳极移动到阴极，在充电时沿相反方向移动。 结构形式如图1所示。

图1：钴酸锂的结构

阴极具有层状结构。 放电时，锂离子从阳极移动到阴极； 充电期间，电流从阴极流向阳极。

钴酸锂的缺点是寿命相对较短、热稳定性较低、负载能力（比功率）有限。 与其他钴混合锂离子电池一样，钴酸锂也使用石墨阳极。 其循环寿命主要受到固体电解质界面（SEI）的限制，主要表现在快速充电或低温充电时SEI膜逐渐增厚以及阳极电镀层。 锂问题。 较新的材料系统添加了镍、锰和/或铝，以延长使用寿命、提高负载能力并降低成本。

钴酸锂不应在超过容量的电流下充电和放电。 这意味着2,400mA的18650电池只能以2,400mA或更低的电流充电和放电。 强制快速充电或施加更高的负载可能会导致过热和过载应力。 为了获得最佳的快速充电效果，制造商建议的充电速率为 0.8C 或大约 2,000mA。 电池保护电路将能量电池的充电和放电速率限制在大约 1C 的安全水平。

六边形蜘蛛图（图2）总结了钴酸锂在与操作相关的比能量或容量方面的性能； 特定功率或提供高电流的能力； 安全; 高低温环境下的性能； 和寿命，包括日历寿命和周期寿命； 成本特征。 蜘蛛图中未显示的其他重要特性包括毒性、快速充电能力、自放电和保质期。

由于钴的高成本以及该材料与其他活性正极材料共混带来的显着性能改进，钴酸锂正逐渐被锰酸锂特别是NMC和NCA取代。 （参见下面 NMC 和 NCA 的描述。）

图 2：普通锂钴氧化物电池的蜘蛛图。

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表现平平

汇总表

钴酸锂：LiCoO 阴极（~60% Co），石墨阳极

短型：LCO 或锂钴。自 1991 年以来

电压

标称3.60V； 典型工作范围 3.0-4.2V/电池

比能量（容量）

150-200瓦时/公斤。 特种电池的容量高达 240Wh/kg。

充电（C 率）

0.7-1C，充电至4.20V（大多数电池）； 典型充电时间为 3 小时； 充电电流超过1C会缩短电池寿命。

放电（C率）

1C； 放电截止电压2.50V。 放电电流超过1C会缩短电池寿命。

循环寿命

500-1000，与放电深度、负载、温度有关

热失控

150°C (302°F)。充满电状态很容易导致热失控

应用

手机、平板电脑、笔记本电脑、相机

评论

比能量非常高，比功率有限。 钴很贵。 用作能源电池。 市场份额稳定。

表3：钴酸锂的特性

锰酸锂()

尖晶石锰酸锂电池首次发表于1983年的一份材料研究报告中。 1996年，莫里能源公司将采用锰酸锂作为正极材料的锂离子电池商业化。 该架构创建了三维尖晶石结构，可改善电极上的离子流，从而降低内阻并提高载流能力。 尖晶石的另一个优点是热稳定性高，安全性提高，但循环寿命和日历寿命有限。

电池内阻低，可实现快速充电和大电流放电。 18650型电芯，锰酸锂电池可20-30A电流放电，蓄热量适中。 还可以施加高达 50A1 秒的负载脉冲。 在此电流下持续高负载可能会导致热量积聚，并且电池温度不得超过 80°C (176°F)。 锰酸锂用于电动工具、医疗器械、混合动力和纯电动汽车。

图4说明了锰酸锂电池阴极上三维晶体骨架的形成。 这种尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形形状组成，通常在电池形成后出现。

图 4：锰酸锂的结构。

锰酸锂正极结晶后形成三维骨架结构。 尖晶石电阻低，但比能量比钴酸锂低。

锰酸锂的容量比钴酸锂低约三分之一。 设计灵活性使工程师可以选择最大限度地延长电池寿命或增加最大负载电流（比功率）或容量（比能量）。 例如，长寿命版的18650电池容量只有1，而高容量版则达到1，。

图 5 显示了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。 这些性能参数可能看起来不太理想，但新设计在功率、安全性和寿命方面提供了改进。 纯锂锰氧化物电池如今已不再常见； 它们仅在特殊情况下使用。

图 5：纯锰酸锂电池的蜘蛛图。

尽管整体性能平庸，但新的锰酸锂设计提高了功率、安全性和寿命。

大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合，以增加比能量并延长寿命。这种组合为每个系统带来了最佳性能，并且大多数电动汽车，例如

日产聆风（参数|图片）、雪佛兰

Volt（参数|图片）和宝马

i3（参数|图片）均采用LMO（NMC）。 电池的LMO部分可以达到30%左右，并且可以在加速时提供更高的电流； NMC部分提供了较长的巡航范围。

锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钴、镍、锰和/或铝结合作为活性阴极材料。 在一些架构中，阳极中添加了少量硅。 这使得容量增加了 25%； 然而，硅会随着充电和放电而膨胀和收缩，从而产生机械应力，并且容量的增加通常与短循环寿命密切相关。

可以方便地选择这三种活性金属以及硅增强材料来增加比能量（容量）、比功率（负载能力）或寿命。 消费类电池需要大容量，而工业应用则要求电池系统具有良好的负载能力、较长的使用寿命，并提供安全可靠的服务。

汇总表

锰酸锂：正极、石墨负极；

缩写：LMO 或 Li-Mn（尖晶石结构）自 1996 年起

电压

标称电压 3.70V (3.80V)； 典型工作范围 3.0-4.2V/每节电池

比能量（容量）

100-150瓦时/公斤

充电（C 率）

典型值为0.7-1C，最大值为3C，充电至4.20V（大多数电池）

放电（C率）

1C； 有些电池可以达到10C，30C脉冲（5s），2.50V截止

循环寿命

300-700（与放电深度和温度有关）

热失控

典型值为 250°C (482°F)。高电荷会促进热失控

应用

电动工具、医疗设备、电动传动系统

评论

功率大但容量低； 比钴酸锂更安全； 通常与 NMC 混合以提高性能。

表6：锰酸锂的特性

镍钴锰酸锂（2或NMC）

最成功的锂离子系统之一是镍锰钴 (NMC) 的阴极组合。 与锰酸锂类似，该系统可以定制用作能源或动力电池。 例如，中等负载条件下18650电池中的NMC容量约为2，可以提供4A至5A的放电电流； 同一类型的 NMC，针对特定功率进行优化时，容量仅为 2，但可提供 20A 的电流。 连续放电电流。 硅基阳极可以实现上述目的，但负载能力会降低，循环寿命也会缩短。 添加到石墨中的硅存在阳极随着充放电而膨胀和收缩的缺陷，使电池受到机械应力且结构不稳定。

NMC的秘密在于镍和锰的结合。 与此类似的是食盐，其主要成分钠和氯化物本身有毒，但混合在一起可用作调味盐和食品防腐剂。 镍以其比能量高但稳定性差而闻名； 锰尖晶石结构可以实现低内阻但低比能。 这两种活性金属具有互补的优势。

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。 阴极组合通常为三分之一镍、三分之一锰和三分之一钴，也称为1-1-1。 这提供了一种独特的混合物，由于钴含量减少，还降低了原材料成本。 另一个成功的组合是 NCM，它含有 5 份镍、3 份钴和 2 份锰 (5-3-2)。 也可以使用不同量的阴极材料的其他组合。

由于钴的成本较高，电池制造商正在从钴阴极转向镍阴极。 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，但其电压略低。

新的电解质和添加剂可以将单个电池充电至4.4V以上，从而提高功率。 图7显示了NMC的特性。

图 7：NMC 蜘蛛图。

NMC具有良好的综合性能，并且在比能量方面表现优异。 此类电池是电动汽车的首选，且自发热率最低。

由于系统的经济性和综合性能都比较好，三元复合锂离子电池越来越受到关注。 镍、锰和钴这三种活性材料可以轻松混合，以适应需要频繁循环的汽车和储能系统 (EES) 中的广泛应用。 NMC家族的多样性正在不断增长。

汇总表

镍锰钴酸锂：正极、石墨负极

简称：NMC（NCM、CMN、CNM、MNC、MCN类似不同金属组合）始于2008年

电压

3.60V，标称3.70V； 电池典型工作范围 3.0-4.2V 或更高

比能量（容量）

150-220瓦时/公斤

充电（C 率）

0.7-1C，充至4.20V，部分充至4.30V； 一般充电 3 小时。 充电电流超过1C会缩短电池寿命。

放电（C率）

1C； 2C 在某些小区上可能可行； 2.50V截止

循环寿命

1000-2000（与放电深度和温度有关）

热失控

典型温度为 210°C (410°F)。高电荷会促进热失控

应用

电动自行车、医疗设备、电动汽车、工业

评论

提供高容量和高功率。 杂交细胞。 其用途广泛，市场份额不断增加。

表 8：镍锰钴锂氧化物 (NMC) 的特性。

磷酸铁锂 (4)

1996年，德克萨斯大学发现磷酸盐可以用作可充电锂电池的阴极材料。 磷酸锂具有良好的电化学性能和较低的电阻。 这是通过纳米级磷酸盐正极材料实现的。 主要优点是额定电流高、循环寿命长； 良好的热稳定性，增强安全性和耐受性。

磷酸锂对各种充电条件的耐受性更强，并且如果长时间处于高电压，则比其他锂离子系统承受的压力更小。 缺点是电池标称电压较低（3.2V），导致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，升高的存储温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。 磷酸锂比其他锂离子电池具有更高的自放电率，这可能会导致老化并从而导致均衡问题。 虽然这可以通过选择高质量电池或使用先进的电池管理系统来弥补，但这两种方法都会增加电池组的成本。 电池寿命对制造过程中的杂质非常敏感，并且不能承受水分掺杂。 由于水分杂质的存在，有些电池的寿命最短只有50次循环。 图 9 总结了磷酸锂的特性。

通常使用磷酸锂代替铅酸起动电池。 四个电池串联产生 12.80V，类似于六个串联的 2V 铅酸电池。 车辆将铅酸充电至14.40V（2.40V/电池）并保持浮充状态。 浮充电的目的是保持充满电水平并防止铅酸电池硫酸盐化。

通过串联四节磷酸锂电池，每节电池的电压为3.60V，这是正确的充满电电压。 此时，应断开充电，但在行驶时应继续充电。 磷酸锂可以承受一定程度的过度充电； 然而，由于大多数车辆在长途旅行时长时间将电压维持在14.40V，这可能会增加磷酸锂电池的机械应力。 时间会证明磷酸锂作为铅酸电池的替代品能够承受过度充电多久。 低温还会降低锂离子的性能，可能会影响极端情况下的启动能力。

图 9：典型磷酸锂电池的蜘蛛图。

磷酸锂安全性好、寿命长、比能量适中、自放电能力增强。

由卡迪克斯提供

汇总表

磷酸铁锂：正极、石墨负极

缩写：LFP或磷酸锂，始于1996年

电压

3.20，标称值3.30V； 典型工作范围 2.5-3.65V

比能量（容量）

90-120瓦时/公斤

充电（C 率）

1C典型值，充电至3.65V； 一般充电时间为 3 小时

放电（C率）

1C、25C在某些电池上是可行的； 40A脉冲（2s）； 2.50V截止（低于2V会造成损坏）

循环寿命

1000-2000（与放电深度和温度有关）

热失控

270°C (518°F) 即使充满电电池也非常安全

应用

便携式和固定式，需要高负载电流和耐用性的应用

评论

电压放电曲线非常平坦，但容量低。最安全

锂离子之一。 针对特殊市场。 高自放电。

表10：磷酸铁锂的特性

镍钴铝酸锂（或 NCA）

镍钴铝酸锂电池（NCA）自1999年开始使用。它与NMC相似，具有高比能量、相当好的比功率和较长的使用寿命。 不太值得恭维的是安全性和成本。 图 11 总结了六个关键特征。 NCA是镍酸锂的进一步发展； 铝的添加使电池具有更好的化学稳定性。

图 11：NCA 蜘蛛图。

高能量和功率密度以及良好的使用寿命使 NCA 成为电动汽车动力系统的候选者。 高成本和边际安全会产生负面后果。

汇总表

镍钴铝酸锂：阴极 (~9% Co)，石墨阳极

缩写：NCA或锂铝。始于1999年

电压

标称值为3.60V； 典型工作范围为 3.0-4.2V

比能量（容量）

200-260瓦时/公斤； 预计达到300Wh/kg

充电（C 率）

0.7C，充电至4.20V（大多数电池），典型充电时间为3小时，有些电池可以快速充电

放电（C率）

1C 典型值； 截止电压3.00V； 高放电率会缩短电池寿命

循环寿命

500（与放电深度和温度有关）

热失控

典型值为 150°C (302°F)，高电荷会导致热失控

应用

医疗设备、工业、电动动力总成（特斯拉）

评论

与钴酸锂类似。 能源电池。

表12：镍钴铝酸锂的特性

钛酸锂 ()

具有钛酸锂阳极的电池自 20 世纪 80 年代以来就已为人所知。 钛酸锂取代了典型锂离子电池负极中的石墨，该材料形成尖晶石结构。 阴极可以是锰酸锂或NMC。 钛酸锂电池标称电压为2.40V，可快速充电过氧化锰，并提供10C的高放电电流。 据称其循环次数高于传统锂离子电池。 钛酸锂安全且具有优异的低温放电特性，在-30°C (-22°F) 下可实现80% 的容量。

LTO在快速充电和低温充电时通常具有零应变、无SEI膜形成、无镀锂现象，因此比传统的钴掺杂锂离子和石墨负极具有更好的充放电性能。 高温下的热稳定性也优于其他锂离子系统； 然而，电池价格昂贵。 比能量低，仅为65Wh/kg，与NiCd相当。 钛酸锂充电至2.80V，放电结束时截止至1.80V。 图13显示了钛酸锂电池的特性。 典型用途是电动动力系统、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、降低成本。

汇总表

钛酸锂：可以是锰酸锂或NMC； （钛酸盐）阳极

缩写：LTO 或钛酸锂，于 2008 年左右首次销售。

电压

2.40V标称值； 典型工作范围1.8-2.85V；

比能量（容量）

50-80瓦时/公斤

充电（C 率）

1C 典型值； 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

热失控

最安全的锂离子电池之一

应用

UPS、电动动力总成（三菱 i-MiEV、本田飞度 EV）、

太阳能路灯

评论

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、镍和锂的系统的比能量。 虽然锂铝 (NCA) 凭借比其他系统存储更多的容量而成为明显的赢家，但它仅适用于特定的用电场景。 在比功率和热稳定性方面，锰酸锂（LMO）和磷酸锂（LFP）表现优异。 钛酸锂（LTO）的容量可能较低，但它比大多数其他电池的使用寿命更长，并且具有最佳的低温性能。

图 15：铅、镍和锂电池的典型比能量

NCA具有最高的比能量； 然而，锰酸锂和磷酸铁锂在比功率和热稳定性方面更优越。 钛酸锂的使用寿命最好。