SONY于1991年將鋰離子電池商業(yè)化，這是基于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授約翰·古德足夠（John Goodenough）的研究成果。

到目前為止，在過去的30年中，已經(jīng)開發(fā)了各種類型的鋰電池，這些不同類型的電池具有不同的性能，有一些小的差異。不同類型的鋰蓄電池產(chǎn)品已成為世界上產(chǎn)量最多的產(chǎn)品。

在介紹市場上的主要鋰電池類型之前，我們將首先談?wù)勪囯x子電池的一些基本知識，如鋰離子電池工作原理、優(yōu)點(diǎn)和組成。

我們希望在閱讀完這篇文章后，您能夠根據(jù)不同類型鋰電池的特點(diǎn)，選擇最適合的鋰電池產(chǎn)品。

 

鋰離子電池是如何工作的？

鋰離子電池是如何工作的？事實(shí)上，所有類型的鋰電池，像任何其他電池一樣，都需要收集液體，離子在充電和放電時(shí)在陰極和陽極之間傳遞。在鋰離子電池中，能量流是在充電和放電過程中形成的。

在充電過程中，鋰離子從陰極移除，并通過電解質(zhì)嵌入陽極。在放電過程中，鋰離子從陽極脫嵌，并通過電解質(zhì)嵌入陰極。

鋰離子電池的充電和放電與常識相反：當(dāng)它們放電時(shí)，離子從陽極轉(zhuǎn)移到陰極。

鋰離子從陰極材料進(jìn)入電解液，穿過隔膜，然后進(jìn)入電解液，最后從電解液進(jìn)入陽極。該過程在陽極銅箔和陰極集電體之間產(chǎn)生電壓差。

 

 

鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)

高能量密度

由于其高能量密度，各類鋰電池正迅速成為小型電子設(shè)備的最佳電源。

這意味著鋰離子電池需要大約Nimh電池一半的尺寸和重量才能提供相同的能量。對于移動電源，如手機(jī)和筆記本電腦，高能量密度意味著更長的運(yùn)行時(shí)間。

高工作電壓

與鎳基電池和鉛酸電池相比，鋰離子電池具有更高的工作電壓。通常，鎳氫電池和鎳鎘電池的工作電壓為1.2~1.5V，而鋰離子電池的工作壓力為3.2~3.8V。

高工作電壓意味著要達(dá)到相同的組裝電壓，鋰離子電池需要更少的電池。例如，為了組裝350V模塊，nimH電池需要大約292個(gè)電池（350V/1.2V=292），而鋰離子電池只需要98個(gè)電池（350 V/3.6V=98）。

自放電率低

除了高電壓和高能量密度，鋰離子電池還具有低的自放電率。換句話說，鋰離子電池在儲存一段時(shí)間后損失的容量比其他電池小得多。

根據(jù)鋰電池的類型，平均自放電率約為每月1%至5%。容量損失分為兩種類型：可逆容量損失和永久容量損失。

 

 

可逆容量損失可以通過充電恢復(fù)，而永久容量損失無法恢復(fù)。幾乎所有類型的鋰電池都具有可逆性和永久容量損失。

高循環(huán)壽命

此外，與其他電池相比，鋰離子電池具有非常好的循環(huán)壽命。鉛酸電池的充放電循環(huán)壽命約為300至500次，而鋰離子電池有數(shù)千次循環(huán)。

如果電池每次只消耗其總能量的80%，鋰離子電池的循環(huán)壽命可以達(dá)到數(shù)千次。因此，鋰電池替代品鉛酸成為許多制造商生產(chǎn)電子設(shè)備的常用選擇。

 

鋰離子電池組電池的組成

鋰離子電池的核心僅由五部分組成，與核心相關(guān)的材料約有10~20種。

電池包括陰極材料、陽極材料和相應(yīng)的流體收集器，由陰極和陽極之間的隔膜隔開，其主要成分是聚丙烯和聚乙烯塑料。

陽極和陰極材料被涂覆在集流體上，隔膜被壓接或?qū)訅阂孕纬删€圈芯，然后被放入金屬殼或塑料膜中，然后在電解液注入和其他過程之后，金屬殼或金屬膜被完全密封，然后可以移動到下一個(gè)電池過程。

 

鋰電池類型

我們經(jīng)常談?wù)撊囯姵鼗蜩F鋰電池，因此這些類型的鋰電池以正極活性材料命名。

本文總結(jié)了六種常見的鋰電池，并列出了這些不同類型鋰電池的性能參數(shù)。

眾所周知，同一技術(shù)線的電池，其具體參數(shù)并不完全相同，本文顯示了當(dāng)前參數(shù)的一般水平。

 

 

六種類型的鋰電池包括NMC電池、NCA電池、LFP電池、LTO電池、LMO電池和LCO電池。此表總結(jié)了鋰電池的價(jià)格、電化學(xué)性能和類型。

 

鈷酸鋰（LiCoO2）

鈷酸鋰的高比能量使其成為手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)最受歡迎的鋰電池之一。鈷酸鋰的缺點(diǎn)是相對較短的壽命、較低的熱穩(wěn)定性和有限的負(fù)載容量（比功率）。

與其他鈷混合鋰離子電池一樣，鈷酸鋰使用石墨陽極，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)為SEI膜的逐漸增厚，以及快速充電或低溫充電時(shí)陽極鋰電鍍的問題。

較新的材料系統(tǒng)添加鎳、錳和/或鋁，以提高循環(huán)壽命、負(fù)載能力和成本。鈷酸鋰在高比能量下表現(xiàn)良好，但在功率特性、安全性和循環(huán)壽命方面表現(xiàn)平平。

 

錳酸鋰（LiMn2O4）

尖晶石錳酸鋰氧化物電池于1983年首次發(fā)表在材料研究報(bào)告中。1996年，Moli Energy將錳酸鋰作為正極材料的鋰離子電池商業(yè)化。

該結(jié)構(gòu)形成了三維尖晶石結(jié)構(gòu)，改善了穿過電極的離子流動，從而降低了內(nèi)部電阻并提高了載流能力。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。

低電池電阻可實(shí)現(xiàn)快速充電和高電流放電。18650型錳酸鋰電池可以在20-30A的電流下充電，具有適度的熱積累，電池溫度不能超過80℃。

 

 

錳酸鋰用于電動工具、醫(yī)療器械、混合動力和純電動汽車。錳酸鋰的容量大約比鈷酸鋰少三分之一。設(shè)計(jì)靈活性允許工程師在最大化電池壽命或增加最大負(fù)載電流或容量之間進(jìn)行選擇。

純錳酸鋰電池在當(dāng)今所有類型的鋰電池中不再常見；它們僅用于特殊情況。

大多數(shù)錳酸鋰與鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）混合，以提高比能并延長壽命。這種組合帶來了每個(gè)系統(tǒng)的最佳性能，大多數(shù)電動汽車，如日產(chǎn)Leaf、雪佛蘭Volt和寶馬I3，都使用LMO（NMC）。

電池的LMO部分可以達(dá)到約30%，這可以在加速期間提供高電流；NMC部分提供了大量里程。

鋰離子電池的研究傾向于將錳酸鋰與鈷、鎳、錳和/或鋁結(jié)合作為活性陰極材料。在一些結(jié)構(gòu)中，少量硅被添加到陽極中。

這提供了25%的容量增加；然而，硅在充電和放電時(shí)會膨脹和收縮，導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，而容量的增加通常與較短的循環(huán)壽命密切相關(guān)。

 

錳酸鎳鈷鋰（NMC）

最成功的鋰電池類型之一是鎳錳鈷（NMC）的陰極組合。與錳酸鋰一樣，它也可以定制，用作能源或動力電池。

例如，18650電池中的NMC在中等負(fù)載條件下的容量約為2800mAh，可提供4A至5A的放電電流；同一類型的NMC在針對特定功率進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，容量僅為2000mAh，但可提供20A的連續(xù)放電電流。

硅陽極將達(dá)到4000mAh以上，但負(fù)載容量降低，循環(huán)壽命縮短。添加到石墨中的硅有一個(gè)缺陷，導(dǎo)致陽極在充電和放電時(shí)膨脹和收縮，使電池由于高機(jī)械應(yīng)力而結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

 

 

NMC的秘密是鎳和錳的結(jié)合。食鹽也是如此，其中的主要成分鈉和氯化物本身是有毒的，但它們結(jié)合在一起作為調(diào)味鹽和食品防腐劑。

鎳以其高比能量而聞名，但其穩(wěn)定性較差。錳尖晶石結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)低內(nèi)阻但比能低。這兩種活性金屬相輔相成。

NMC是用于電動工具、電動自行車和其他電力系統(tǒng)的不同類型鋰電池中的熱門選擇。陰極組合通常為三分之一鎳、三分之一錳和三分之一鈷，也稱為1-1-1。

這提供了一種獨(dú)特的混合物，由于鈷含量較低，還降低了原材料的成本。另一種成功的組合是NCM，它含有5份鎳、3份鈷和2份錳（5-3-2）。也可以使用不同數(shù)量的陰極材料的其他組合。

由于鈷的高成本，鋰離子電池制造商從鈷轉(zhuǎn)向鎳。鎳基電池比鈷基電池具有更高的能量密度、更低的成本和更長的循環(huán)壽命，但它們的電壓略低。

新的電解質(zhì)和添加劑可以將單個(gè)電池的充電增加到4.4V以上。由于系統(tǒng)的良好經(jīng)濟(jì)性和綜合性能，NMC混合鋰離子電池正受到越來越多的關(guān)注。

鎳、錳和鈷這三種活性材料可以很容易地混合，以適應(yīng)汽車和需要頻繁回收的儲能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。使用NMC陰極組合的各種類型的鋰電池正在增長。

 

 

磷酸鐵鋰（LiFePO4）

1996年，德克薩斯大學(xué)發(fā)現(xiàn)磷酸鹽作為可充電鋰離子電池的正極材料。磷酸鋰具有良好的電化學(xué)性能和低電阻。

這是通過納米級磷酸鹽陰極材料實(shí)現(xiàn)的。主要優(yōu)點(diǎn)是額定電流高，循環(huán)壽命長；良好的熱穩(wěn)定性、增強(qiáng)的安全性和對濫用的耐受性。

如果長時(shí)間保持在高電壓下，磷酸鋰比其他類型的鋰電池更耐所有充電條件，且應(yīng)力更小。缺點(diǎn)是3.2V電池的較低標(biāo)稱電壓使得比能量低于鈷摻雜鋰離子電池。

對于大多數(shù)類型的鋰電池，低溫會降低性能，較高的存儲溫度會縮短使用壽命，磷酸鋰也不例外。磷酸鋰比其他類型的鋰電池具有更高的自放電率，這會導(dǎo)致老化，從而導(dǎo)致平衡問題。

這可以通過選擇高質(zhì)量的電池或使用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)來解決，但這兩種方法都會增加電池組的成本。

電池壽命對制造過程中的雜質(zhì)非常敏感，不能承受水摻雜，由于水雜質(zhì)，一些電池的最小壽命為50次循環(huán)。

磷酸鋰通常用來代替鉛酸蓄電池。四個(gè)串聯(lián)電池產(chǎn)生12.80V的電壓，類似于六個(gè)串聯(lián)的2V鉛酸電池的電壓。

通過串聯(lián)連接四個(gè)磷酸鋰電池，每個(gè)電池的電壓為3.60V，這是正確的滿充電電壓。此時(shí)，應(yīng)斷開充電，但應(yīng)在行駛過程中繼續(xù)充電。磷酸鋰可以耐受過度充電。

然而，由于大多數(shù)車輛在長途行駛過程中長時(shí)間將電壓保持在14.40V，磷酸鋰電池的機(jī)械應(yīng)力可能會增加。時(shí)間會告訴我們，作為鉛酸電池的替代品，磷酸鋰能承受過充電多久。

 

 

鎳鈷鋁酸鋰（NCA）

鎳鈷鋁酸鋰電池或NCA自1999年開始使用。與NMC類似，它具有高比能量、相當(dāng)好的比功率和較長的使用壽命。安全性和成本不太令人滿意。

NCA是鋰鎳氧化物的進(jìn)一步發(fā)展。添加鋁可以提高電池的化學(xué)穩(wěn)定性。高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為電動汽車動力系統(tǒng)的候選者。高成本和邊際安全性對陽極有影響。

 

鈦酸鋰（LTO）

鈦酸鋰陽極電池自20世紀(jì)80年代以來就已為人所知。鈦酸鋰取代了典型鋰離子電池陰極中的石墨，這種材料形成了尖晶石結(jié)構(gòu)。

陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的標(biāo)稱電池電壓為2.40V，可快速充電并提供10C的高放電電流。

據(jù)說它比傳統(tǒng)的鋰離子電池具有更高的循環(huán)周期。鈦酸鋰是安全的，具有優(yōu)異的低溫放電特性，在-30°C（-22°F）時(shí)達(dá)到80%的容量。

LTO（通常為Li4Ti5O12）在快速充電和低溫充電期間具有零應(yīng)變、無SEI膜形成和無鋰電鍍現(xiàn)象，因此其具有比具有鈷摻雜鋰離子和石墨陽極的傳統(tǒng)類型鋰電池更好的充放電性能。

高溫下的熱穩(wěn)定性優(yōu)于其他類型的鋰電池。然而，電池價(jià)格昂貴，比能量低，僅65Wh/kg，與鎳鎘相當(dāng)。

鈦酸鋰充電至2.80V，在1.80V結(jié)束時(shí)放電。通常用作電動傳動系統(tǒng)、太陽能路燈和UPS鋰電池。