六种锂电池特性及参数分析

六种锂电池特性及参数分析（钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂）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主要性能参数。

大家都知道，相同技术路线的电芯，其具体参数并不完全相同，本文所显示的是当前参数的一般水平。

六种锂电池具体包括：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）和钛酸锂
（Li4Ti5O12）。

钴酸锂（LiCoO2）
其高比能量使钴酸锂成为手机，笔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。

阴极具有分层结构，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。

结构形式如图1所示。

图1：钴酸锂结构
阴极具有分层结构。

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向阳极。

钴酸锂的缺点是寿命相对较短，热稳定性低和负载能力有限（比功率）。

像其他钴混合锂离子电池一样，钴酸锂采用石墨阳极，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。

这意味着具有2,400mAh的18650电池只能以小于等于2,400mA充电和放电。

强制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。

为获得最佳快速充电，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制在约1C的安全水平。

六角蜘蛛图（图2）总结了与运行相关的具体能量或容量方面的钴酸锂性能；具体功率或提供大电流的能力；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；成本特性。

蜘蛛图中没有显示的其他重要特征还包括毒性，快速充电能力，自放电和保质期。

图2：平均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提供一般的性能表现。

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; 典型工作范围3.0-4.2V /电池
比能（容量）150-200Wh /公斤。

特种电池提供高达240Wh / kg。

充电（C率）0.7-1C，充电至4.20V（大部分电池）；典型充电时长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，温度有关热失控150°C（302°F）。

满充状态容易带来热失控应用手机，平板电脑，笔记本电脑，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发表于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结构，可改善电极上的离子流动，从而降低内部电阻并改善电流承载能力。

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80°C（176°F）。

锰酸锂用于电动工具，医疗器械，以及混合动力和纯电动汽车。

图4说明在锰酸锂电池的阴极上形成三维晶体骨架。

该尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形形状组成，一般在电池化成后出现。

图4：锰酸锂结构。

锰酸锂阴极结晶形成具有在化成后成型的三维骨架结构。

尖晶石提供低电阻，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。

设计灵活性使工程师能够选择最大限度地延长电池的使用寿命，或者提高最大负载电流（比功率）或容量（比能）。

例如，18650电池的长寿命版本只有1,100mAh的适中容量; 高容量版本则达到1,500mAh。

图5显示了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。

这些特性参数似乎不太理想，但新设计在功率，安全性和寿命方面有所改进。

纯锰酸锂电池今天不再普遍; 它们只在特殊情况下应用。

图5：纯锰酸锂电池的蜘蛛图。

尽管整体性能一般，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）混合，以提高比能量并延长寿命。

这种组合带来了每个系统的最佳性能，而大多数电动汽车，如日产Leaf(参数|图片)，雪佛兰Volt(参数|图片)和宝马i3(参数|图片)都选用了LMO
（NMC）。

电池的LMO部分可以达到30％左右，可以在加速时提供较高的电流; NMC部分提供了很长的续航里程。

锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钴，镍，锰和/或铝组合作为活性阴极材料。

在一些架构中，少量硅被添加到阳极。

这提供了25％的容量提升; 然而，硅随着充放电膨胀和收缩，从而引起机械应力，容量提升通常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。

消费电池需要大容量，而工业应用需要电池系统，具有良好的负载能力，寿命长，并提供安全可靠的服务。

汇总表
锰酸锂氧化物：LiMn2O4阴
极，石墨阳极；
简称：LMO或Li-Mn（尖晶石结构）始于
1996年以来
电压3.70V（3.80V）标称值; 典型工作范围3.0-
4.2V /每只电池
比能（容量）100-150Wh / kg的
充电（C率）典型值为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）
热失控典型值为250°C（482°F）。

高电荷促进热失控
应用电动工具，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; 通常与
NMC混合以提高性能。

表6：锰酸锂氧化物的特性
镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2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的容量并且可以提供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，但可提供20A的连续放电电流。

硅基阳极将达到4000mAh以上，但负载能力降低，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收缩，使得电池机械应力大结构不稳定。

NMC的秘密在于镍和锰的结合。

与此类似的是食盐，其中主要成分钠和氯化物本身是有毒的，但将它们混合起来作为调味盐和食品保存剂。

镍以其高比能量而闻名，但稳定性差；锰尖晶石结构可以实现低内阻但比能量低。

两种活性金属优势互补。

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。

阴极组合通常是三分之一镍，三分之一锰和三分之一钴，也被称为1-1-1。

这提供了一种独特的混合物，由于钴含量降低，也降低了原材料成本。

另一个成功的组合是NCM，其中含有5份镍，3份钴和2份锰（5-3-2）。

也可以使用其他不同量的阴极材料组合。

由于钴的高成本，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，更低的成本和更长的循环寿命，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混合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混合，以适应需要频繁循环的汽车和能源存储系统（EES）的广泛应用。

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; 电池典型工作范围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小时典型充电。

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）
热失控典型的210°C（410°F）。

高电荷促进热失控
应用电动自行车，医疗设备，电动车，工业
注释
提供高容量和高功率。

混合电芯。

受到多种
用途的欢迎，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，德克萨斯大学发现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。

主要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。

如果长时间保持在高电压下，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。

缺点是，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。

对于大多数电池来说，低温会降低性能，升高储存温度会缩短使用寿命，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使用先进的电池管理系统来弥补，但这两种方式都增加了电池组的成本。

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全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，这是正确的满充电电压。

此时，应该断开充电，但驾驶时继续充电。

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长时间保持电压在14.40V，可能会增加磷酸锂电池的机械应力。

时间会告诉我们磷酸锂
作为铅酸电池的替代品能够承受多长时间的过充电。

低温也会降低锂离子的性能，可能会影响极端情况下的起动能力。

图9：典型磷酸锂电池的蜘蛛图。

磷酸锂具有良好的安全性和长寿命，比能量适中，自放电能力增强。

由Cadex提供
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; 典型工作范围2.5-3.65V
比能（容量）90-120Wh/kg
充电（C率）1C典型，充电至3.65V；典型的3小时充电时间
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
应用便携式和固定式，需要高负载电流和耐久性的应用场景
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。

用于特殊市场。

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年以后被应用。

它具有较高的比能量，相当好的比功率和长的使用寿命与NMC有相似之处。

不太讨人喜欢的是安全性和成本。

图11总结了六个关键特征。

NCA是锂镍氧化物的进一步发展；加入铝赋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使用寿命使NCA成为EV动力系统的候选者。

高成本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；典型工作范围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），典型的3小时充电，一些电池可以快速充电
放电（C率）1C典型；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）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。

钛酸锂代替典型锂离子电池阳极中的石墨，并且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-30°C（-22°F）时可获得80％的容量。

LTO（通常是Li4Ti5O12）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现象，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低成本。

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年左右开始销售。

电压2.40V标称值；典型工作范围1.8-2.85V；
比能（容量）50-80Wh/kg
充电（C率）1C典型；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
热失控一种最安全的锂离子电池
应用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使用。

就比功率和热稳定性而言，锰酸锂（LMO）和磷酸锂（LFP）优异。

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，镍和锂基电池的典型比能量
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越。

钛酸锂具有最好的使用寿命。