详解新能源各种锂离子电池
来源：宝鄂实业
2019-06-22 10:49
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钴酸锂(LiCoO2)
高比能量使得锂-钴电池在手机、笔记本电脑、数码相机领域应用广泛。这种电池的正极为钴氧化物，负极为石墨。锂-钴电池的缺点是相对来说寿命较短、热稳定性较低并且比能量有限。
正极为层状的结构，在放电过程中，锂离子从正极移动到负极，而充电时，锂离子的移动是从负极回到正极。
目前锂钴电池不能在高于其倍率下充放电，这意味着2400mAh的18650电池仅能在2400mA下充放电。强制快速充电或者使用高于2400mA充电会导致过热和过压。为了优化快速充电，制造商建议用0.8C或者1920mA的电流充电。（可以参考近期的科普文章：什么是倍率。）电池保护电路充电和放电倍率限制在1C的安全水平。
锰酸锂(LiMn2O4)
1983年，锰酸锂首次发表于《Materials Research Bulletin》。1996年，Moli能源公司就以锰酸锂作为正极制作成锂离子电池，并投入了商业化生产。该公司得到的三维尖晶石结构，改善了电极的离子电导率，从而降低了电池阻抗，甚至提高了电池的热稳定性和安全性，但是却缩短了循环次数和使用寿命。
电池阻抗降低，有利于快速充电和大电流放电。18650锰酸锂电池能实现20-30A大电流放电，而不会产生过热现象。它的最大脉冲放电是(1s) 50A。在这种电流下持续高过载会导致热积累，然而该电池电池温度不能超过80C (176F)。锰酸锂电池被用于电动工具、医疗器械以及混合动力和电动汽车。
初步定型后，锰酸锂正极会形成三维晶体结构。这种尖晶石结构能够降低内部阻力，但比能却低于钴酸锂。
锰酸锂电池的容量大约比钴酸锂电池小1/3，但是储电量仍比镍基化学电池多50%。通过灵活的设计，工程师可以尽可能的优化电池，要么提高电池使用寿命、功率密度，要么提高电池容量。比如，长寿版的18650电池容量较低只有1100mAh；高容量版的可达1500mAh，但寿命较短。
现今大多数锰基锂离子电池都混合了镍和钴。典型的有LMO/NMC即锰酸锂/镍钴锰
大多数电池通过混合锰酸锂和镍钴锰锂氧化物(NMC)来提高电池比能量并延长电池寿命。这种结合在各个方面都展现出最好的性能，因此LMO (NMC)被广泛应用于电动汽车，像尼桑Leaf、雪佛兰Volt和宝马i3等。雪佛兰Volt车中30%用的这种电池，其中LMO提供大电流来快速加速，NMC提供高续航力。
锂镍钴锰氧化物(LiNiMnCoO2或NMC)
先进电池制造商非常关注正极材料镍锰钴(NMC)。类似锂锰这些材料，可以制定比能量大或比功率高的材料，但不能两者兼得。例如，NMC的18650型号的电池中的容量约为2800 mAh并可以提供4-5 A的电流；经过比功率优化后相同的单元中，其比能量只有2000mWh，但可以提供了20 A的持续放电电流。硅基负极锂电池的容量有4000 mAh，但是其循环寿命短且容量衰减很快。
NMC的秘诀在于结合了镍和锰。类比是食盐，其组成元素的钠和氯是有毒的，但是混合作为调味品——盐用于食物的防腐却发挥着很大的作用。镍的比能量高但其稳定性差，锰的尖晶石结构使其阻抗较低，但比能量也低。通过两种金属的结合来增强彼此的长处。NMC是首选的电池材料，在电动自行车和其他电动动力系统等方面使用率很高。NMC通常是镍、锰、钴分别占三分之一。由于钴含量低，从而降低了原材料的成本。其他组合,如镍钴锰酸锂，钴锰镍酸锂，钴镍锰酸锂，锰镍钴酸锂，镍钴锰酸锂等材料的金属元素掺杂比例不同于NMC。制造商对更精确的比例守口如瓶。图5展示了NMC的特点。
磷酸铁锂（LiFePO4）
德克萨斯大学Goodenough等人于1997年发现磷酸盐可以作为锂电池的正极材料。锂磷酸盐具有的良好电化学性能。这使得纳米级磷酸盐材料有可能成为新型锂电池正极材料。关键在于其倍率性能和循环性能非常优异，而且具有良好的热稳定性，增强了非正常使用的安全性和耐用性。
如果在高电压下保持一段时间, 磷酸铁锂相比其他锂电池更耐满充且压力更小。（可关注近期将推出的科普：如何延长锂电池寿命）。相反,3.2v的低电压相对于锰锂系的比能量低了很多。与大多数电池一样,磷酸铁锂电池也会出现在低温下性能降低、随存储温度升高寿命缩短等问题。磷酸铁锂自放电性能比其他系锂离子电池严重，自放电会随着老化产生平衡问题。
通常用磷酸铁锂来取代铅酸蓄电池。四支锂电池就能串联成12.80V的电池组，同样的电压则需要6支2V的铅酸电池。车用铅酸电池充电到14.40v（2.40v /支）,用4支满充电压为3.6V的锂电池串联起来就达到了。磷酸铁锂耐一定的过充，然而因为大多数汽车为长途驾驶，保持一段时间14.4V的电压对锂电池来说还是有困难的。低温也成为一个问题。
磷酸铁锂具有良好的安全性和较长的寿命,但比能量低、低温性能较其他锂电池差。相比于其他体系的锂电池，LFP还具有较高的自放电。
：磷酸铁锂的特点
锂镍钴铝氧化物电池(LiNiCoAlO2)
锂镍钴铝氧化物电池（NCA），自1999年以来一直有特殊用途，并且与NMC一样，具有较高的比能量、比功率和使用寿命。这也是马斯科选用NCA作为Tesla电动汽车电池的原因，但是NCA在价格和安全性方面却差强人意。图11显示了其在未来应用领域的优势。NCA是LiNiO2电池的进一步发展，添加Al后，其化学性质更加稳定。
钛酸锂(Li4Ti5O12)
以钛酸锂作为负极材料的锂电池在20世纪90年代逐渐被人所了解。具有尖晶石结构的钛酸锂代替了很多锂电池中作为负极的石墨，正极是石墨和类似于典型锂-金属电池的结构。钛酸锂的标称电池电位是2.4 V，可以快速充电，也可以在10 C的倍率（或者额定容量的10 倍）下快速放电。钛酸锂作为电池电极材料其循环性能高于普通锂电池。钛酸锂电池安全，有优异的低温放电性能（在-30℃下可以得到80%的容量）。然而，相对于镍镉电池，钛酸锂电池的价格偏高、比能量偏低（65Wh/kg）。钛酸锂电池可以充电至2.8V，放电至1.5V。
锂镍钴铝氧化物电池比其他系统的容量都要高（仅仅是比能量）。基于功率系数（载荷特性）和热稳定性，锰酸锂和磷酸铁锂更优异。钛酸锂尽管容量低价格高，由于其寿命长使其相比于其他二次电池拥有更好的化学比，同时它拥有最好的低温性能。当我们面对电动系统时，安全性和寿命比容量更重要。
