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      鋰離子電池分哪幾類?鋰離子電池的類型介紹

      來源:batteryuniversity?作者:諾信電子??發布時間:2020-07-22 17:55:12??閱讀數:

      本文來源batteryuniversity,幫助你熟悉不同類型的鋰離子電池。

      鋰離子電池以其活性材料而得名;單詞全部用化學符號縮寫。串在一起的一系列字母和數字可能很難記住,甚至更難以發音,并且電池化學成分也以縮寫字母標識。

      例如,最常見的鋰離子之一的鈷酸鋰鋰的化學符號為LiCoO2和縮寫LCO。為簡單起見,也可將短型鋰鈷電池用于此電池。鈷是賦予這種電池特性的主要活性材料。其他鋰離子化學名稱也有相似的簡稱。本文列出了六種最常見的鋰離子電池類型。所有讀數均為撰寫本文時的平均估計值。

      氧化鈷鋰(LiCoO2)—LCO

      鈷酸鋰的高比能量使其成為手機,筆記本電腦和數碼相機的流行選擇。該電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽極組成。陰極具有層狀結構,并且在放電期間,鋰離子從陽極移動到陰極。電荷反向流動,鈷酸鋰的缺點是使用壽命相對較短,熱穩定性低以及負載能力(比功率)有限。圖1說明了該結構。

      鋰鈷結構
      圖1:鋰鈷結構。 陰極具有層狀結構。在放電過程中,鋰離子從陽極移動到陰極。電荷流從陰極到陽極。 資料來源:Cadex

      鈷酸鋰的缺點是使用壽命相對較短,熱穩定性低以及負載能力(比功率)有限。像其他鈷混合鋰離子一樣,鋰鈷具有石墨陽極,該陽極通過改變固體電解質界面(SEI),在陽極上增稠和鍍鋰,同時在低溫下快速充電和充電來限制循環壽命。較新的系統包括鎳,錳和/或鋁,以提高使用壽命,裝載能力和成本。

      鋰鈷不應以高于其C額定值的電流進行充電和放電。這意味著具有2400mAh的18650電池只能以2400mA進行充電和放電。強制快速充電或施加高于2,400mA的負載會導致過熱和過度應力。為了獲得最佳的快速充電,制造商建議C速率為0.8C或2,000mA。(什么是電池C速率)。強制性電池保護電路將能量電池的充電和放電速率限制在大約1C的安全水平 。

      六角形蜘蛛圖形(圖2)根據與運行時間相關的比能量或容量總結了鋰鈷的性能。比功率或輸送大電流的能力;安全; 性能在高溫和低溫下;壽命反映了循環壽命和壽命;和費用。蜘蛛網中未顯示的其他令人感興趣的特性是毒性,快速充電能力,自放電性和保質期。

      鋰鈷失去了鋰錳的支持,但尤其是NMC和NCA,因為鈷的高成本和通過與其他活性陰極材料混合而提高了性能。

      普通鋰鈷電池
      圖2:普通鋰鈷電池。 鋰鈷在高比能量方面表現出色,但僅提供中等性能的比功率,安全性和使用壽命。 資料來源:Cadex

      匯總表

      氧化鋰鈷: LiCoO2陰極(?60 %Co),石墨陽極

      簡寫:LCO或鋰鈷。自1991年以來

      電壓等級 3.60V標稱值; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell
      比能量(容量) 比能量(容量) 150–200Wh / kg。特種電池可提供高達240Wh / kg的功率。
      充電(C費率) 0.7–1C,充電至4.20V(大多數電池);典型充電時間為3小時。充電電流超過1C會縮短電池壽命。
      放電(C速率) 1C; 截止電壓為2.50V。放電電流超過1C會縮短電池壽命。
      循環壽命 500–1000,與放電深度,負載,溫度有關
      熱失控 150°C。充滿電會加劇熱失控
      應用領域 手機,平板電腦,筆記本電腦,相機
      評論 比能量很高,比功率有限。鈷很貴。充當能量電池。市場份額穩定。
      表3:鈷酸鋰的特性。

      錳酸鋰(LiMn2O4)—LMO

      含錳尖晶石的鋰離子電池于1983年首次發表在《材料研究通報》上。1996年,Moli Energy將鋰錳氧化物作為正極材料的鋰離子電池商業化。該結構形成三維尖晶石結構,可改善電極上的離子流動,從而降低內部電阻并改善電流處理。尖晶石的另一優點是高熱穩定性和增強的安全性,但是循環和壓延壽命受到限制。

      低內部電池電阻可實現快速充電和大電流放電。在18650封裝中,鋰錳可以在20-30A的電流下以適度的熱量積聚放電。也可以施加高達50A的一秒負載脈沖。在此電流下持續的高負載會導致熱量積聚,并且電池溫度不能超過80°C。鋰錳用于電動工具,醫療儀器以及混合動力和電動汽車。

      圖4示出了在鋰錳電池的陰極上三維晶體骨架的形成。這種尖晶石結構通常由連接成晶格的菱形組成,并在初始形成后出現。

      鋰錳結構
      圖4:鋰錳結構。鋰錳氧化物的陰極晶體形成具有在初始形成后出現的三維骨架結構。尖晶石具有較低的電阻,但比鈷具有適度的比能。 資料來源:Cadex

      鋰錳的容量大約比鋰鈷低三分之一。設計的靈活性使工程師可以最大限度地延長電池壽命,以獲得最佳壽命(最大壽命),最大負載電流(特定功率)或高容量(特定能量)。例如,18650電池中的長壽命版本僅具有1,100mAh的中等容量;大容量版本為1,500mAh。

      圖5顯示了典型鋰錳電池的星形網。這些特性似乎不大,但較新的設計在特定功率,安全性和使用壽命方面有所改進。如今,純鋰錳電池已不再普遍。它們只能用于特殊應用。

      純鋰錳電池
      圖5:純鋰錳電池。 盡管總體性能適中,但較新的鋰錳設計在單位功率,安全性和使用壽命方面有所改進。 資料來源:波士頓

      大多數鋰錳電池都與鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)混合使用,以提高比能并延長使用壽命。這種組合在每個系統中都發揮出了最好的性能,而LMO(NMC)被大多數電動汽車所選擇,例如Nissan Leaf,Chevy Volt和BMW i3。電池的LMO部分約為30%,可在加速時提供高電流提升;NMC部件可以延長行駛距離。

      鋰離子研究在將鋰錳與鈷,鎳,錳和/或鋁作為活性陰極材料結合方面大有可為。在某些架構中,少量硅被添加到陽極。這樣可將容量提高25%;然而,隨著硅隨著充電和放電而生長和收縮,導致機械應力,增益通常與較短的循環壽命有關。

      可以方便地選擇這三種活性金屬以及硅增強劑,以提高比能量(容量),比功率(負載容量)或壽命。盡管消費電池需要大容量,但工業應用需要具有良好負載能力,使用壽命長且提供安全可靠的電池系統。

      匯總表

      錳酸鋰: LiMn2O4陰極。石墨陽極

      簡短形式:LMO或鋰錳(尖晶石結構)自1996年以來

      電壓等級 標稱值為3.70V(3.80V); 典型工作范圍3.0–4.2V / cell
      比能量(容量) 100–150Wh / kg
      充電(C費率) 典型0.7–1C,最大3C,充電至4.20V(大多數電池)
      放電(C速率) 1C; 某些電池可能達到10C,30C脈沖(5s),截止電壓為2.50V
      循環壽命 300–700(與放電深度,溫度有關)
      熱失控 通常為250°C。高電荷促進熱失控
      應用領域 電動工具,醫療設備,電動動力總成
      評論 大功率但容量較??;比鈷酸鋰更安全;通常與NMC混合使用以提高性能。
      表6:錳酸鋰的特性。

      鋰鎳錳鈷酸鋰(LiNiMnCoO2)— NMC

      最成功的鋰離子系統之一是鎳錳鈷(NMC)的陰極組合。類似于鋰錳,可以定制這些系統以用作能量電池或動力電池。例如,用于中等負載條件的18650電池中的NMC的容量約為2,800mAh,可提供4A至5A的電流;針對特定功率進行優化的同一電池中的NMC容量僅為2,000mAh,但可提供20A的連續放電電流。硅基陽極將達到4,000mAh及更高,但負載能力降低且循環壽命縮短。添加到石墨中的硅的缺點是陽極隨著充放電而增長和收縮,從而使電池機械不穩定。

      NMC的秘密在于將鎳和錳結合在一起。與此類似的是食鹽,其中的主要成分鈉和氯化物本身具有毒性,但將它們混合可作為調味鹽和食品防腐劑。鎳以其高比能而聞名,但穩定性差。錳具有形成尖晶石結構以獲得低內阻的優點,但是提供了低比能。金屬的結合會彼此增強。

      NMC是電動工具,電動自行車和其他電動動力總成的首選電池。陰極組合通常是三分之一的鎳,三分之一的錳和三分之一的鈷,也稱為1-1-1。這提供了獨特的共混物,由于減少了鈷含量,還降低了原材料成本。另一個成功的組合是NCM,含5份鎳,3份鈷和2份錳(5-3-2)。使用各種數量的陰極材料的其他組合也是可能的。

      由于鈷的高成本,電池制造商從鈷系統轉向了鎳陰極。鎳基系統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壽命,但它們的電壓略低。

      新的電解質和添加劑可以使電池充電至4.4V / cell或更高,以提高容量。圖7展示了NMC的特性。

      NMC
      圖7:NMC。 NMC具有良好的整體性能,并且在單位能量方面表現出色。該電池是電動汽車的首選,并且具有最低的自熱率。 資料來源:波士頓

      由于可以經濟地構建該系統并獲得良好的性能,因此向NMC混合鋰離子電池邁進了一步。鎳,錳和鈷這三種活性材料可以輕松混合,以適合需要頻繁循環的汽車和儲能系統(EES)的廣泛應用。NMC系列的多樣性在不斷增長。

      匯總表

      鋰鎳錳鈷氧化物: LiNiMnCoO2。陰極,石墨陽極

      簡寫:NMC(NCM,CMN,CNM,MNC,MCN類似,但金屬組合不同)自2008年以來

      電壓等級 3.60V,3.70V標稱值; 典型工作范圍為3.0–4.2V / cell或更高
      比能量(容量) 150–220Wh / kg
      充電(C費率) 0.7–1C,充電至4.20V,有些則達到4.30V;典型充電時間為3小時。充電電流超過1C會縮短電池壽命。
      放電(C速率) 1C; 在某些電池上可能達到2C;截止電壓為2.50V
      循環壽命 1000–2000(與放電深度,溫度有關)
      熱失控 通常為210°C。高電荷促進熱失控
      成本 ?每千瓦時$ 420(資料來源:亞琛工業大學)
      應用領域 電動自行車,醫療設備,電動汽車,工業
      評論 提供高容量和高功率。充當混合細胞。最喜歡的化學物質有很多用途;市場份額正在增加。
      表8:  鋰鎳錳鈷氧化物(NMC )的特性。

      磷酸鐵鋰(LiFePO4)— LFP

      1996年,得克薩斯大學(和其他貢獻者)發現磷酸鹽作為可充電鋰電池的正極材料。磷酸鋰具有良好的電化學性能,且電阻低。納米級磷酸鹽陰極材料可以做到這一點。主要好處是額定電流高,循環壽命長,以及良好的熱穩定性,增強的安全性和濫用(如果被濫用)。

      如果長時間保持高壓,磷酸鋰對全充電條件的耐受性更高,并且與其他鋰離子系統相比,壓力較小。作為權衡,它的較低標稱電壓為3.2V / cell,可將比能降低到低于鈷共混鋰離子的比能。對于大多數電池,低溫會降低性能,升高的存儲溫度會縮短使用壽命,磷酸鋰也不例外。磷酸鋰電池比其他鋰離子電池具有更高的自放電能力,這可能導致老化問題??梢酝ㄟ^購買高質量的電池和/或使用復雜的控制電子設備來減輕這種情況,這兩者都會增加電池組的成本。清潔生產對于延長使用壽命至關重要。沒有耐濕性,以免電池只能循環50次。圖9總結了磷酸鋰的屬性。

      磷酸鋰通常用于替代鉛酸啟動電池。四個串聯的電池產生12.80V,與六個串聯的2V鉛酸電池的電壓相似。車輛將鉛酸充電至14.40V(2.40V /電池)并保持充電。施加打頂電荷以保持充滿電并防止鉛酸電池硫酸化。

      對于四個串聯的磷酸鋰電池,每個電池的最高電壓為3.60V,這是正確的滿充電電壓。在這一點上,應該斷開充電,但在行駛過程中繼續充電。磷酸鋰耐某些過充電;但是,如大多數車輛在長途旅行中一樣,長時間保持電壓在14.40V上,可能會給磷酸鋰施加壓力。時間將證明使用常規的汽車充電系統替代磷酸鋰的耐久性如何。低溫還會降低鋰離子電池的性能,這在極端情況下可能會影響起動能力。

      磷酸鋰電池
      圖9:磷酸鋰電池。 磷酸鋰具有出色的安全性和較長的使用壽命,但比能適中,自放電率較高。 資料來源:Cadex

      匯總表

      磷酸鐵鋰: LiFePO4陰極,石墨陽極                                                   

      簡寫:LFP或磷酸鋰自1996年以來

      電壓等級 3.20、3.30V標稱值; 典型工作范圍2.5–3.65V / cell
      比能量(容量) 90–120Wh / kg
      充電(C費率) 典型值為1C,充電至3.65V;典型的3小時充電時間
      放電(C速率) 在某些電池上為1C,25C;40A脈沖(2s); 截止電壓為2.50V(低于2V會造成損壞)
      循環壽命 2000及更高(與放電深度,溫度有關)
      熱失控 270°C(518°F)即使充滿電也非常安全的電池
      成本 ?每千瓦時$ 580(資料來源:亞琛工業大學)
      應用領域 便攜式和固定式需要高負載電流和耐久性
      評論

      電壓放電曲線非常平坦,但容量低。最安全的鋰離子電池之一。用于特殊市場。高自放電。

      表10:磷酸鋰鐵的特性。

      鋰鎳鈷鋁氧化物(LiNiCoAlO2)— NCA

      自1999年以來,鋰鎳鈷鋁氧化物電池(NCA)就已經用于特殊應用。它具有較高的比能量,合理的良好比功率和較長的使用壽命,與NMC具有相似之處。討人喜歡的是安全性和成本。圖11總結了六個關鍵特征。NCA是鋰鎳氧化物的進一步發展。添加鋁可提高化學穩定性。

      NCA
      圖11:NCA。 高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動力總成的候選人。高成本和邊際安全是不利因素。 資料來源:Cadex

      匯總表

      鋰鎳鈷鋁氧化物: LiNiCoAlO2陰極(?9 %Co),石墨陽極

      簡寫:NCA或鋰鋁。自1999年以來

      電壓等級 3.60V標稱值; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell
      比能量(容量) 200-260Wh / kg; 300Wh / kg可預測
      充電(C費率) 0.7C,充電至4.20V(大多數電池),典型值為3h,某些電池可能會快速充電
      放電(C速率) 典型值為1C;3.00V截止 高放電率會縮短電池壽命
      循環壽命 500(與放電深度,溫度有關)
      熱失控 典型值為150°C,高電荷會促進熱失控
      成本 ~每千瓦時$ 350(資料來源:亞琛工業大學)
      應用領域 工業醫療設備,電力傳動系統(Tesla)
      評論 與鋰鈷具有相似之處。充當能量電池。
      表12:鋰鎳鈷鋁氧化物的特性。

      鈦酸鋰(Li2TiO3)— LTO

      自1980年代以來就已經知道具有鈦酸鋰陽極的電池。鈦酸鋰代替了典型鋰離子電池陽極中的石墨,該材料形成尖晶石結構。陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的標稱電池電壓為2.40V,可以快速充電,并提供10C的高放電電流,即額定容量的10倍。周期數據稱比常規鋰離子電池高。鈦酸鋰是安全的,具有出色的低溫放電特性,在–30°C下的容量為80%。

      LTO(通常為Li4Ti5O12)具有零應變性能,不形成SEI膜且在低溫下快速充電時不鍍鋰,優于具有石墨陽極的常規鈷混合鋰離子。高溫下的熱穩定性也優于其他鋰離子系統;但是,電池價格昂貴。僅65Wh / kg,比能量低,可與NiCd媲美。鈦酸鋰充電至2.80V / cell,放電結束時為1.80V / cell。圖13說明了鈦酸鋰電池的特性。典型用途是電力傳動系統,UPS和太陽能路燈。

      鈦酸鋰
      圖13:鈦酸鋰。 鈦酸鋰在安全性,低溫性能和使用壽命方面表現出色。人們正在努力改善比能并降低成本。 資料來源:波士頓

      匯總表

      鈦酸鋰:  陰極可以是錳酸鋰或NMC。Li 2 TiO 3  (鈦酸酯)陽極

      縮寫:LTO或鈦酸鋰,大約2008年可商購。

       
      電壓等級 2.40V標稱值; 典型工作范圍為1.8–2.85V /電池
      比能量(容量) 50–80Wh / kg
      充電(C費率) 典型值為1C;最高5C,充電至2.85V
      放電(C速率) 10C可能,30C 5s脈沖; LCO / LTO上的1.80V截止
      循環壽命 3,000–7,000
      熱失控 最安全的鋰離子電池之一
      成本 每千瓦時~1,005美元(來源:亞琛工業研究中心)
      應用領域 UPS,電動動力總成(三菱i-MiEV,本田飛度EV),太陽能路燈
      評論 壽命長,充電快,溫度范圍寬,但比能量低且價格昂貴。最安全的鋰離子電池中。
      表14:鈦酸鋰的特性。

      未來電池

      固態鋰離子:高比能,但負載和安全性較差。

      鋰硫:高比能,但循環壽命低,負荷低

      鋰空氣:高比能,但負荷低,需要呼吸的清潔空氣,壽命短。

      圖15比較了鉛,鎳和鋰基系統的比能。盡管鋰鋁(NCA)通過存儲比其他系統更多的容量而成為明顯的贏家,但這僅適用于特定的能源。就比功率和熱穩定性而言,鋰錳(LMO)和磷酸鋰(LFP)優越。鈦酸鋰(LTO)的容量可能較低,但這種化學成分在使用壽命方面比大多數其他電池都要長,并且具有最佳的低溫性能。朝電動動力總成方向發展,安全性和循環壽命將占主導地位。(LCO代表原始鋰離子鋰鈷。)

      鉛,鎳和鋰基電池的典型比能
      圖15:鉛,鎳和鋰基電池的典型比能。 NCA具有最高的比能量;但是,錳和磷酸鹽在比功率和熱穩定性方面是優越的。鈦酸鋰的壽命最長。 由Cadex提供

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