一文汇总六种常见锂电池类型及主要性能参数

一文汇总六种常见锂电池类型及主要性能参数

我们经常说三元锂电池或者铁锂电池，是根据正极活性物质来命名的。本文总结了六种常见的锂电池类型及其主要性能参数。众所周知，相同技术路线的电芯具体参数并不完全相同。本文展示的是目前参数的一般水平。六种锂电池类型包括：钴酸锂（）、锰酸锂（）、镍钴锰酸锂（或NMC）、镍钴铝酸锂（或NCA）、磷酸铁锂（）和钛酸锂（）。

钴酸锂 ()

其高比能使得钴酸锂成为手机、笔记本电脑和数码相机的热门选择。该电池由钴酸锂正极和石墨碳负极组成。正极具有层状结构，放电时锂离子从负极移动到正极，充电时流动方向相反。结构如图1所示。

图1：钴酸锂结构

正极具有层状结构，放电时锂离子从负极移动到正极；充电时则从负极移动到正极。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。与其他钴系锂离子电池一样，钴酸锂采用石墨负极，其循环寿命主要受固体电解质界面（SEI）限制，主要表现在快速充电或低温充电时SEI膜逐渐增厚以及负极处锂沉积问题。较新的材料体系已加入镍、锰和/或铝，以提高寿命、负载能力并降低成本。

钴酸锂不应以高于容量的电流进行充电和放电。这意味着 2 的 18650 电池只能以 2,400mA 或更低的电流进行充电和放电。强制快速充电或施加高于 1,000mA 的负载会导致过热和过度应力。为了获得最佳快速充电效果，制造商建议充电率为 0.8C 或约 2,000mA。电池保护电路将能量电池的充电和放电率限制在约 1C 的安全水平。

六边形蜘蛛图（图 2）总结了 在以下方面的性能：与操作相关的比能量或容量；比功率或提供高电流的能力；安全性；在高温和低温环境下的性能；寿命（包括日历寿命和循环寿命）以及成本特性。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。

图 2：普通钴酸锂电池的蜘蛛图。

钴酸锂具有较高的比能量，但是功率特性、安全性、循环寿命等性能一般。

汇总表

钴酸锂：正极（约60%Co），石墨负极

简称：LCO，即锂钴。成立于 1991 年

电压

标称值3.60V；典型工作范围3.0-4.2V/cell

比能（容量）

150-200Wh/kg。特种电池可提供高达 240Wh/kg。

充电（C 速率）

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

放电（C 速率）

1C；放电截止电压2.50V。高于1C的放电电流会缩短电池的寿命。

循环寿命

500-1000，与放电深度、负载、温度有关

热失控

150°C (302°F)。满电状态容易导致热失控

应用

手机、平板电脑、笔记本电脑、相机

笔记

比能量非常高，比功率有限。钴价格昂贵。用作能量型电池。市场份额稳定。

表3：钴酸锂的特性

锂锰氧化物()

尖晶石锂锰氧化物电池最早发表于1983年的一份材料研究报告中。1996年，以锂锰氧化物为正极材料的锂离子电池实现商业化。这种架构形成三维尖晶石结构，改善了电极上的离子流动，从而降低了内阻，提高了电流承载能力。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。在 18650 电池中， 电池可在 20-30A 电流下放电，且热量积聚适中。还可施加高达 50A 的负载脉冲，持续 1 秒。在此电流下持续高负载会导致热量积聚，电池温度不得超过 80°C (176°F)。 用于电动工具、医疗设备以及混合动力和纯电动汽车。

图4示出了锂锰氧化物电池阴极上三维晶体框架的形成。这种尖晶石结构通常由菱形连接成晶格组成，并且通常在电池形成后出现。

图4：锰酸锂结构。

锰酸锂正极结晶化成后形成的三维骨架结构，尖晶石具有较低的电阻，但比钴酸锂的比能量较低。

锂锰氧化物的容量比锂钴氧化物低约三分之一。设计灵活性使工程师可以选择最大程度地延长电池寿命，或增加最大负载电流（比功率）或容量（比能量）。例如，18650 电池的长寿命版本容量仅为 1%，而高容量版本则达到 1%。

图 5 显示了典型 电池的蜘蛛图。这些参数似乎不太理想，但新设计在功率、安全性和寿命方面都有所改善。纯 电池如今已不再常见；它们仅在特殊情况下使用。

图5：纯锂锰氧化物电池的蜘蛛图。

尽管整体性能一般，但新的锂锰氧化物设计可以提高功率、安全性和使用寿命。

大部分锂锰氧化物与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合使用，以提高比能量和延长寿命。这种组合能发挥出每个系统的最佳性能，大多数电动汽车，如日产聆风、雪佛兰 Volt 和宝马 i3 都选择了 LMO（NMC）。电池的 LMO 部分可达 30% 左右，可在加速时提供更高的电流；NMC 部分则提供较长的续驶里程。

锂离子电池研究倾向于将锂锰氧化物与钴、镍、锰和/或铝结合作为活性阴极材料。在某些架构中，阳极中添加了少量硅。这可使容量提高 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，而容量提升通常与较短的循环寿命密切相关。

这三种活性金属以及硅增强剂可以方便地选择以提高比能量（容量）、比功率（负载能力）或寿命。消费类电池需要大容量，而工业应用则需要具有良好负载能力、长寿命并提供安全可靠服务的电池系统。

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

标称值 3.70V (3.80V)；典型工作范围每节电池 3.0-4.2V

比能（容量）

100-150瓦时/千克

充电（C 速率）

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 速率）

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、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

笔记

功率高但容量低；比钴酸锂更安全；常与NMC混合以提高性能。

表6：锰酸锂的特性

锂镍钴锰氧化物（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量电池或动力电池。例如，中等负载条件下的18650电池中的NMC容量约为2％，可以提供4A至5A的放电电流；同类型的NMC，在针对特定功率进行优化时，容量仅为2％，但可以提供20A的持续放电电流。硅基阳极将实现上述目标，但负载能力会降低，循环寿命也会缩短。加入石墨中的硅的缺陷是阳极会随着充电和放电而膨胀和收缩，使电池受到机械应力，结构不稳定。

NMC 的秘密在于镍和锰的结合。一个类似的例子是食盐，其中的主要成分钠和氯化物本身是有毒的，但它们混合在一起制成调味盐和食品防腐剂。镍以其高比能但稳定性差而闻名；锰尖晶石结构允许低内阻但低比能。这两种活性金属相互补充。

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的镍、三分之一的锰和三分之一的钴，也称为 1-1-1。这提供了一种独特的混合物，由于钴含量降低，还降低了原材料成本。另一种成功的组合是 NCM，它包含 5 份镍、3 份钴和 2 份锰（5-3-2）。也可以使用不同数量的其他阴极材料组合。

由于钴成本高昂，电池制造商从钴基阴极转向镍基阴极。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，但电压略低。

新型电解液和添加剂可以使单电池充电至4.4V以上，从而提高容量。图7为NMC的特性。

图 7：NMC 的蜘蛛图。

NMC电池综合性能良好，比能量表现优异，是电动汽车的首选电池，自热率最低。

NMC 混合锂离子电池由于该系统的经济性和综合性能而受到越来越多的关注。镍、锰和钴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

锂镍锰钴氧化物：正极，石墨负极

缩写：NMC（NCM、CMN、CNM、MNC、MCN类似于不同的金属组合）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（容量）

150-220瓦时/千克

充电（C 速率）

0.7-1C，充电至4.20V，部分充电至4.30V；典型充电时间为3小时。高于1C的充电电流会缩短电池寿命。

放电（C 速率）

1C；某些电池可能采用 2C；截止电压为 2.50V

循环寿命

1000-2000（与放电深度、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

笔记

提供高容量和高功率。混合电池。广泛用于各种用途，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 (4)

1996年，德克萨斯大学发现磷酸盐可用作可充电锂电池的正极材料。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正极材料实现的。主要优点是额定电流高、循环寿命长；热稳定性好、安全性高、耐滥用性强。

磷酸锂对所有充电条件的耐受性更强，如果长时间保持在高电压下，则比其他锂离子系统承受的压力更小。缺点是，3.2V 的较低标称电池电压导致比钴掺杂的锂离子电池更低的比能。对于大多数电池来说，低温会降低性能，而升高的存储温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。磷酸锂的自放电率高于其他锂离子电池，这会导致老化和随后的均衡问题，尽管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这一点，但这两者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，并且无法承受水分掺杂，由于水分杂质的存在，一些电池的最低寿命仅为 50 次循环。图 9 总结了磷酸锂的特性。

磷酸锂通常用于替代铅酸启动电池。四节电池串联产生 12.80V，与六节 2V 铅酸电池串联产生的电压相似。车辆将铅酸电池充电至 14.40V（2.40V/节），并保持浮充状态。浮充的目的是保持满充电水平并防止铅酸电池硫酸化。

通过将四个磷酸锂电池串联起来，每个电池的电压为 3.60V，这是正确的满充电电压。此时，应断开充电，但在行驶过程中继续充电。磷酸锂可以承受一定的过度充电；但是，由于大多数车辆在长途行驶期间长时间将电压保持在 14.40V，这可能会增加磷酸锂电池的机械应力。时间将告诉我们磷酸锂作为铅酸电池的替代品可以承受多长时间的过度充电。低温也会降低锂离子的性能，可能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。

磷酸锂安全性好且寿命长，比能量适中，自放电能力增强。

图片来源：Cadex

汇总表

磷酸铁锂：正极，石墨负极

缩写：LFP，即磷酸锂，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（容量）

90-120瓦时/千克

充电（C 速率）

1C 典型值，充电至 3.65V；典型充电时间 3 小时

放电（C 速率）

某些电池可提供 1C、25C；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、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

需要高负载电流和耐用性的便携式和固定式应用

笔记

电压放电曲线非常平坦，但容量低。最安全

锂离子电池之一。用于特殊市场。自放电率高。

表10：磷酸铁锂特性

锂镍钴铝酸盐（或 NCA）

镍钴铝氧化物电池（NCA）自 1999 年以来一直被使用。它具有与 NMC 类似的高比能量、相当好的比功率和长使用寿命。安全性和成本不太吸引人。图 11 总结了六个关键特征。NCA 是锂镍氧化物的进一步发展；铝的添加使电池具有更好的化学稳定性。

图11：NCA的蜘蛛图。

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材料。然而，高成本和边际安全性会产生负面影响。

汇总表

锂镍钴铝氧化物：阴极（~9% Co），石墨阳极

缩写：NCA，即锂铝。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（容量）

200-260Wh/kg；预计达到300Wh/kg

充电（C 速率）

0.7C，充电至4.20V（大多数电池），典型充电时间为3小时，部分电池可快速充电

放电（C 速率）

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、温度有关）

热失控

典型值为 150°C (302°F)，高电荷可能导致热失控

应用

医疗设备、工业、电动动力系统（特斯拉）

笔记

类似于钴酸锂。能量型电池。

表12：锂镍钴铝氧化物的特性

钛酸锂 ()

自 1980 年代以来，人们就已知道使用钛酸锂阳极的电池。钛酸锂取代了典型锂离子电池阳极中的石墨，这种材料形成尖晶石结构。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，并提供 10C 的高放电电流。据说循环次数高于传统锂离子电池。钛酸锂安全且具有出色的低温放电特性，在 -30°C (-22°F) 时可提供 80% 的容量。

LTO 在快速充电和低温充电过程中（通常）具有零应变、无 SEI 膜形成和无锂沉积，因此具有比传统钴掺杂石墨阳极锂离子更好的充放电性能。高温下的热稳定性也优于其他锂离子系统；然而，这种电池价格昂贵。比能量低，只有 65Wh/kg，与 NiCd 相当。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。典型用途是电动动力系统、UPS 和太阳能路灯。

图13：钛酸锂蜘蛛图像。

钛酸锂具有安全性、低温性能、寿命等优点，正在努力提高比能量、降低成本。

汇总表

钛酸锂：可以是锰酸锂或NMC；Li4Ti 5O12（钛酸盐）阳极

缩写：LTO 或钛酸锂，2008 年左右开始销售。

电压

标称值2.40V；典型工作范围1.8-2.85V；

比能（容量）

50-80瓦时/千克

充电（C 速率）

典型值为 1C；最大值为 5C，充电至 2.85V

放电（C 速率）

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、电动动力系统（三菱 i-MiEV、本田 Fit EV）、

太阳能路灯

笔记

寿命长，充电快，温度范围广，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 比较了铅、镍和锂基系统的比能。虽然 NCA 比其他系统存储更多的容量，明显是赢家，但它只适用于特定的用电场景。在比功率和热稳定性方面，LMO 和 LFP 更胜一筹。LTO 的容量可能较低，但其寿命超过大多数其他电池，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的比能量最高，而锰酸锂和磷酸铁锂的比功率和热稳定性更优，钛酸锂的使用寿命最好。