电池有几种(电池种类与型号)

【能源人在看，点击右上角添加‘关注’】

我们常说的三元锂电池或锂离子电池，都是以正极活性物质命名的。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，同样技术路线的电池具体参数并不完全相同。本文显示的是当前参数的一般水平。六种锂电池具体包括:LiCoO2、LiMn2O4、LiMn2O4、LiMn2O4 (LiNiMnCoO2或NMC)、LiNiCoAlO2(或NCA)、磷酸亚铁锂(LiFePO4)、钛酸锂(Li4Ti5O12)。

钴酸锂

其高比能使钴酸锂成为手机、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。它具有层状阴极结构。放电时，锂离子从阳极向阴极移动，而充电时，流向相反。结构形式如图1所示。

图1:钴酸锂的结构

具有阴极层状结构。在放电过程中，锂离子从阳极移动到阴极；充电时，流速从阴极流向阳极。

钴酸锂的缺点是寿命相对较短，热稳定性低，负载能力(比功率)有限。与其他钴混合锂离子电池一样，钴酸锂采用石墨负极，其循环寿命主要受固体电解质(SEI)界面限制，主要表现在快速充电或低温充电过程中SEI膜逐渐变厚，正极镀锂。与新材料体系相比，加入镍、锰和/或铝以提高使用寿命、负载能力和降低成本。

钴酸锂不应以高于容量的电流充放电。这意味着2400毫安时的18650电池只能在2400毫安以下充放电。强制充电或施加高于2400mA的负载会导致过热和过载应力。为了获得最好的快充，厂商建议充电速率为0.8C或者2,000mA左右。电池保护电路将能量单元的充电和放电速率限制在大约1C的安全水平。

六角蜘蛛图(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；比功率或提供大电流的能力；安全性；高低温环境下的性能；包括寿命、日历寿命和循环寿命；成本特征。蜘蛛图片中没有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与其他活性正极材料混合后带来的明显性能提升，钴酸锂正逐渐被锰酸锂取代，尤其是NMC和NCA。(请参考下面对NMC和NCA的描述。)

图2:一般钴酸锂电池的蜘蛛图。

钴酸锂在高比能量方面表现优异，但在功率特性、安全性和循环寿命方面只能提供一般的表现。

观察记录表

锂钴氧化物:LiCoO 2阴极(约60% CO)，石墨阳极短型:LCO或锂钴。从1991年开始。

电压

标称值为3.60伏；典型的工作范围是3.0-4.2V/电池。

比能(容量)

10-200瓦时/千克。可提供高达240瓦时/千克的特殊电池。

充电(c费率)

0.7-1C，充电到4.20V(大部分电池)；典型的充电时间为3小时；1C以上的充电电流会缩短电池寿命。

放电(c速率)

1C；放电截止电压为2.50v。1C以上的放电电流会缩短电池寿命。

循环寿命

50-1000，与排放深度、负荷、温度有关。

热致击穿

150摄氏度(302华氏度).Wally状态容易导致热失控。

app应用

手机、平板电脑、笔记本电脑、相机

给…作注解

非常高的比能量，有限的比功率。钴很贵。用作能量型电池。市场份额稳定。

表3:钴酸锂的特性

锰酸锂

锂尖晶石锰酸盐电池最早发表于1983年的材料研究报告。1996年，莫利能源公司将锰酸锂作为正极材料的锂离子电池商业化。该结构形成三维尖晶石结构，可以改善电极上的离子流动，从而降低内阻，提高载流能力。尖晶石的另一个优点是其高的热稳定性和改进的安全性，但其循环和日历寿命有限。

电池内阻低，可实现快速充电和大电流放电。8650型电芯，锰酸锂电池能以20-30A的电流放电，热积累适中。也可以施加长达50安培1秒的负载脉冲。在此电流下持续高负载会导致热量积聚，电池温度不应超过80°C(176°F)。锰酸锂用于电动工具、医疗设备以及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。尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形组成，通常在电池形成后出现。

图4:锰酸锂的结构。

锰酸锂正极结晶具有成型后形成的三维骨架结构。尖晶石提供低电阻，但其比能低于钴酸锂。

锰酸锂的容量比钴酸锂低三分之一左右。设计灵活性使工程师能够选择最大化电池的使用寿命，或者增加最大负载电流(比功率)或容量(比能量)。比如长寿命版的18650电池只有1,100mAh的中等容量；高容量版本达到1,500mAh。

图5示出了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。这些特征参数看起来并不理想，但新的设计在动力、安全和寿命方面有一些改进。纯锰酸锂电池如今已不再常见；它们只在特殊情况下使用。

图5:纯锰酸锂电池的蜘蛛图。虽然整体性能一般，但是全新的锰酸锂设计可以提高动力、安全性和寿命。

大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物(NMC)混合，以提高比能量和延长寿命。这种组合带来了每个系统的最佳性能，大多数电动汽车，如日产Leaf，雪佛兰Volt和宝马i3，都选择了LMO(NMC)。电池的LMO部分可以达到30%左右，加速时可以提供更高的电流；NMC部分提供了很长的续航里程。

锰酸锂和钴、镍、锰和/或铝在锂离子电池研究中用作活性阴极材料。在一些架构中，少量的硅被添加到阳极。这提供了25%的容量增加；但是，硅会随着充放电而膨胀和收缩，从而产生机械应力。容量提高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和硅增强体来提高比能量(容量)、比功率(负载能力)或寿命。电池的消耗需要大容量，而工业应用要求电池系统具有良好的负载能力、长寿命和提供安全可靠的服务。

观察记录表

锰酸锂氧化物:LiMn2O4阴极，石墨阳极；缩写:LMO或锂锰(尖晶石结构)始于1996年。

电压

3.70V(3.80V)标称值；典型的工作范围是3.0-4.2V/电池。

比能(容量)

100-150瓦时/千克

充电(c费率)

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)并在2.50V关闭

循环寿命

300-700(与排放深度和温度有关)

热致击穿

典型值为250摄氏度(482华氏度)。高电荷促进热失控。

app应用

电动工具、医疗设备、电力传输系统

给…作注解

功率大但容量小；比钴酸锂更安全；通常与NMC混合以提高性能。

表6:锂锰氧化物的特性

锰酸锂钴(LiNiMnCoO 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，该系统可以定制为能源电池或动力电池。如NMC in 18650电池在中等负载条件下，容量约为2,800mAh，可提供4A至5A的放电电流；同类型的NMC在进行比功率优化时，容量只有2,000mAh，但能提供20A的连续放电电流。硅基阳极会达到4000mAh以上，但负载能力会降低，循环寿命会缩短。石墨中加入的硅有一个缺陷，就是阳极随着充放电而膨胀收缩，使电池的机械应力大，结构不稳定。

NMC的秘密在于镍和锰的结合。同样，食盐，其中的主要成分钠和氯是有毒的，可以混合作为调味盐和食品防腐剂。镍以比能量高著称，但稳定性差。锰尖晶石结构可以实现低内阻但低比能量。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，也称为1-1-1。这提供了独特的混合物，由于降低了钴含量，这也降低了原材料的成本。另一种成功的组合是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。

由于钴的高成本，电池制造商已经从钴阴极转向镍阴极。镍基电池比钴基电池能量密度更高，成本更低，循环寿命更长，但电压略低。

新的电解质和添加剂可以将单个电池充电到4.4V以上，从而提高容量。图7显示了NMC的特征。

图7:NMC 7的蜘蛛图。NMC整体表现良好，比能量表现优异。这种电池是电动车的首选，自热率最低。

NMC混合动力锂离子电池由于其良好的经济性和综合性能，越来越受到人们的重视。镍、锰和钴活性材料可以很容易地混合，以适应需要频繁循环的汽车和储能系统(EES)的广泛应用。NMC家庭的多样性正在增长。

观察记录表

锂锰钴氧化物:LiNiMnCoO2阴极和石墨阳极:NMC(NCM、CMN、CNM、MNC、MCN类似于不同的金属组合)2008年开始。

电压

3.60V，标称3.70V电池的典型工作范围是3.0-4.2V或更高。

比能(容量)

150-220瓦时/千克

充电(c费率)

0.7-1C，充电到4.20V，部分到4.30V典型充电3小时。1C以上的充电电流会缩短电池寿命。

放电(c速率)

1C；2C在某些电池上可能是可行的；2.50伏截止电压

循环寿命

1000-2000(与排放深度和温度有关)

热致击穿

典型值为210摄氏度(410华氏度)。高电荷促进热失控。

app应用

电动自行车、医疗设备、电动汽车、工业

给…作注解

提供高容量和高功率。混合动力电池。它受到许多用户的欢迎，其市场份额不断增加。

表8:锂镍锰钴氧化物(NMC)的特性。

磷酸亚铁锂(LiFePO 4)

1996年，美国德克萨斯大学发现磷酸盐可以作为可充电锂电池的负极材料。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。主要优点是额定电流高，循环寿命长；良好的热稳定性、增强的安全性和对滥用的耐受性。

如果长时间保持在高电压下，磷酸锂更能耐受所有充电条件，应力也比其他锂离子系统小。缺点是3.2V电池较低的标称电压使得比能量低于掺钴锂离子电池。对于大多数电池来说，低温会降低性能，提高储存温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。锂比其他锂离子电池自放电高，可能会造成老化，进而带来平衡问题。虽然可以通过选择高质量电池或使用先进的电池管理系统来补偿，但这两种方法都会增加电池组的成本。电池寿命在制造过程中对杂质非常敏感，经不起水的掺杂。由于水杂质的存在，一些电池的最低寿命只有50次循环。图9总结了磷酸锂的特性。

磷酸锂常用于替代铅酸启动电池。4节串联的电池产生12.80V，和6节2V铅酸电池串联的电压差不多。将车辆铅酸充电至14.40V(2.40V/电池)，并保持浮充。浮充的目的是保持满充电水平，防止铅酸电池被硫酸化。

将四节磷酸锂电池串联起来，每节电池的电压为3.60V，这是正确的充满电电压。这时候你就应该断开充电，而是一边开车一边继续充电。锂可以承受一些过充电；但由于大部分车辆在长途行驶中长时间保持14.40V的电压，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，能承受多长时间的过充。低温也会降低锂离子的性能，极端情况下可能会影响启动能力。

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Cadex提供

观察记录表

磷酸亚铁锂:磷酸亚铁锂阴极和石墨阳极:LFP或简称磷酸锂，始于1996年。

电压

3.20，标称值3.30V典型的工作范围是2.5-3.65伏

比能(容量)

90-120瓦时/千克

充电(c费率)

1C典型值，充电至3.65V；典型充电时间为3小时

放电(c速率)

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

循环寿命

1000-2000(与排放深度和温度有关)

热致击穿

在70°C(518°F)下，即使充满电，电池也非常安全。

app应用

以及便携式和固定式，这些要求高负载电流和耐久性。

给…作注解

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。自放电高。

表10:磷酸亚铁锂的特性

锂钴铝酸盐(LiNiCoAlO2或NCA)

自1999年以来，一直使用锂镍铝酸盐电池或NCA。它比能量高，比功率好，使用寿命长，与NMC相似。不那么讨人喜欢的是安全性和成本。图11总结了六个关键特性。NCA是锂镍氧化物的进一步发展；添加铝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。高成本和边际安全性有负面影响。

观察记录表

锂钴铝酸盐:LiNiCoAlO2阴极(9% CO)，石墨阳极:NCA或简称锂铝。始于1999年。

电压

标称值为3.60伏；；典型的工作范围是3.0-4.2V

比能(容量)

200-260 wh/kg；可以达到300Wh/kg。

充电(c费率)

0.7C，充电到4.20V(大部分电池)，一般充电3小时，部分电池可以快速充电。

放电(c速率)

1C典型值；最高3.00V；高放电率会缩短电池寿命。

循环寿命

500(与排放深度和温度有关)

热致击穿

典型值为150°C(302°F)，高电荷会导致热失控。

app应用

医疗设备、工业、电力系统(特斯拉)

给…作注解

它类似于钴酸锂。能量型电池。

表12:锂镍钴铝酸盐的特性

钛酸锂

自20世纪80年代以来，具有钛酸锂阳极的电池已经为人所知。钛酸锂替代典型锂离子电池负极中的石墨，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10 C的高放电电流，据说循环次数高于常规锂离子电池。钛酸锂是安全的，具有优异的低温放电特性，在-30°C(-22°F)下容量可达80%。

LTO(通常为Li4Ti5 O12)在快速充电和低温充电过程中无应变、无SEI成膜、无镀锂现象，因此比传统的掺钴锂离子和石墨负极具有更好的充放电性能。高温下的热稳定性优于其他锂离子体系。但是，电池很贵。比能量低，只有65Wh/kg，相当于NiCd。钛酸锂在放电结束时充电至2.80V和1.80V。图13显示了钛酸锂电池的特性。典型的应用是电力传输系统、不间断电源和太阳能路灯。

图13:钛酸锂的蜘蛛图。钛酸锂具有优异的安全性、低温性能和寿命。正在努力提高比能和降低成本。

观察记录表

钛酸锂:可以是锰酸锂氧化物或NMC；；Liti5o12(钛酸盐)阳极:简称LTO或钛酸锂。2008年左右卖掉的。

电压

2.40V标称值；典型工作范围为1.8-2.85v；；

比能(容量)

50-80瓦时/千克

充电(c费率)

1C典型值；最高5C，充电至2.85V

放电(c速率)

10C，30C 5s脉冲；LCO/LTO截止电压为1.80伏

循环寿命

3,000-7,000

热致击穿

最安全的锂离子电池之一

app应用

UPS，电动动力总成(三菱i-MiEV，本田飞度EV)，太阳能路灯

给…作注解

寿命长，充电快，温度范围宽，比能量低，价格高。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。虽然锂铝(NCA)通过存储比其他系统更多的容量而成为明显的赢家，但它只适合在特定场景下的电源使用。在比功率和热稳定性方面，锰酸锂(LMO)和磷酸锂(LFP)都很优秀。钛酸锂(LTO)的容量可能较低，但其寿命超过了大多数其他电池，并且具有最佳的低温性能。

图15:铅、镍和锂电池的典型比能

NCA享有最高的比能；然而，锰酸锂和磷酸亚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。

声明:以上内容转载自中国化学与物理动力工业协会，发布内容不代表本平台立场。国家能源信息平台电话:010-65367702，邮箱:hz@people-energy.com.cn，地址:北京市朝阳区金台西路2号人民日报社。