我們常常會(huì)說(shuō)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(lái)給鋰電池命名的。本文匯總六種常見(jiàn)鋰電池類(lèi)型以及它們的主要性能參數(shù)。大家都知道，相同技術(shù)路線(xiàn)的電芯，其具體參數(shù)并不完全相同，本文所顯示的是當(dāng)前參數(shù)的一般水平。六種鋰電池具體包括：鈷酸鋰(LiCoO2)，錳酸鋰(LiMn2O4)，鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2或NMC)，鎳鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或稱(chēng)NCA)，磷酸鐵鋰(LiFePO4)，鈦酸鋰(Li4Ti5O12)。

鈷酸鋰(LiCoO 2)

其高比能量使鈷酸鋰成為手機(jī)，筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)的熱門(mén)選擇。電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽(yáng)極組成。陰極具有分層結(jié)構(gòu)，在放電期間，鋰離子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極，充電過(guò)程則流動(dòng)方向相反。 結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1：鈷酸鋰結(jié)構(gòu)

陰極具有分層結(jié)構(gòu)。在放電期間，鋰離子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極; 充電時(shí)流量從陰極流向陽(yáng)極。

鈷酸鋰的缺點(diǎn)是壽命相對(duì)較短，熱穩(wěn)定性低和負(fù)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(yáng)極，其循環(huán)壽命主要受到固體電解質(zhì)界面(SEI)的限制，主要表現(xiàn)在SEI膜的逐漸增厚，和快速充電或者低溫充電過(guò)程的陽(yáng)極鍍鋰問(wèn)題。較新的材料體系增加了鎳，錳和/或鋁以提高壽命，負(fù)載能力和降低成本。

鈷酸鋰不應(yīng)以高于容量的電流進(jìn)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(qiáng)制快速充電或施加高于2400mA的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱和超負(fù)荷的應(yīng)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(hù)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(jié)了與運(yùn)行相關(guān)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(huán)境下的性能表現(xiàn); 壽命包括日歷壽命和循環(huán)壽命; 成本特性。蜘蛛圖中沒(méi)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(zhì)期。

由于鈷的高成本以及通過(guò)與其他活性陰極材料混合材料帶來(lái)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(qǐng)參閱下面對(duì)NMC和NCA的描述。)

圖2：平均鈷酸鋰電池的蜘蛛圖

鈷酸鋰在高比能量方面表現(xiàn)出色，但在功率特性、安全性和循環(huán)壽命方面只能提供一般的性能表現(xiàn)

表3：鈷酸鋰的特性

錳酸鋰(LiMn2O4)

尖晶石錳酸鋰電池首次發(fā)表于1983年的材料研究報(bào)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(yè)化。該架構(gòu)形成三維尖晶石結(jié)構(gòu)，可改善電極上的離子流動(dòng)，從而降低內(nèi)部電阻并改善電流承載能力。尖晶石的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性高，安全性提高，但循環(huán)和日歷壽命有限。

低電池內(nèi)阻可實(shí)現(xiàn)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(dá)50A1秒負(fù)載脈沖。在此電流下持續(xù)的高負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致熱量積聚，電池溫度不能超過(guò)80°C(176°F)。錳酸鋰用于電動(dòng)工具，醫(yī)療器械，以及混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)。

圖4說(shuō)明在錳酸鋰電池的陰極上形成三維晶體骨架。該尖晶石結(jié)構(gòu)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(xiàn)。

圖4：錳酸鋰結(jié)構(gòu)

錳酸鋰陰極結(jié)晶形成具有在化成后成型的三維骨架結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)靈活性使工程師能夠選擇最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命，或者提高最大負(fù)載電流(比功率)或容量(比能)。例如，18650電池的長(zhǎng)壽命版本只有1,100mAh的適中容量; 高容量版本則達(dá)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(shù)似乎不太理想，但新設(shè)計(jì)在功率，安全性和壽命方面有所改進(jìn)。純錳酸鋰電池今天不再普遍; 它們只在特殊情況下應(yīng)用。

圖5：純錳酸鋰電池的蜘蛛圖

盡管整體性能一般，但新型錳酸鋰設(shè)計(jì)可以提高功率，安全性和壽命。

大多數(shù)錳酸鋰與鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)混合，以提高比能量并延長(zhǎng)壽命。這種組合帶來(lái)了每個(gè)系統(tǒng)的最佳性能，而大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)，如日產(chǎn)Leaf，雪佛蘭Volt和寶馬i3都選用了LMO(NMC)。電池的LMO部分可以達(dá)到30%左右，可以在加速時(shí)提供較高的電流; NMC部分提供了很長(zhǎng)的續(xù)航里程。

鋰離子電池研究?jī)A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(gòu)中，少量硅被添加到陽(yáng)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(jī)械應(yīng)力，容量提升通常與短的循環(huán)壽命緊密聯(lián)系。

可以方便地選擇這三種活性金屬以及硅增強(qiáng)來(lái)提高比能(容量)，比功率(負(fù)載能力)或壽命。消費(fèi)電池需要大容量，而工業(yè)應(yīng)用需要電池系統(tǒng)，具有良好的負(fù)載能力，壽命長(zhǎng)，并提供安全可靠的服務(wù)。

表6：錳酸鋰氧化物的特性

鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO 2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(lèi)似，這個(gè)體系可以定制用作能量電池或功率電池。例如，中等負(fù)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(lèi)型的NMC在針對(duì)特定功率進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，容量?jī)H為2,000mAh，但可提供20A的連續(xù)放電電流。硅基陽(yáng)極將達(dá)到4000mAh以上，但負(fù)載能力降低，循環(huán)壽命縮短。添加到石墨中的硅具有缺陷，即陽(yáng)極隨著充電和放電而膨脹和收縮，使得電池機(jī)械應(yīng)力大結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

NMC的秘密在于鎳和錳的結(jié)合。與此類(lèi)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(lái)作為調(diào)味鹽和食品保存劑。鎳以其高比能量而聞名，但穩(wěn)定性差;錳尖晶石結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)低內(nèi)阻但比能量低。兩種活性金屬優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

NMC是電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車(chē)和其他電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)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(chēng)為1-1-1。這提供了一種獨(dú)特的混合物，由于鈷含量降低，也降低了原材料成本。另一個(gè)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(zhuǎn)向鎳陰極。鎳基系統(tǒng)比鈷基電池具有更高的能量密度，更低的成本和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，但是它們的電壓略低。