ECTIVE锂离子的类型

锂离子的类型

熟悉许多不同类型的锂离子电池。

锂离子因其活性物质而得名；这些词要么是全写的，要么是用它们的化学符号缩写的。串在一起的一系列字母和数字可能很难记住，甚至更难发音，电池化学成分也用缩写字母来标识。

例如，最常见的锂离子之一钴酸锂的化学符号为 LiCoO ₂  ，​​缩写为 LCO。为简单起见，短型锂钴也可用于此电池。钴是赋予这种电池特性的主要活性材料。其他锂离子化学物质具有类似的简称。本节列出了六种最常见的锂离子。所有读数均为撰写本文时的平均估计值。

锂离子电池可以设计为具有最佳容量，但缺点是负载有限、充电缓慢和寿命缩短。工业电池的 Ah 额定值可能适中，但重点在于耐用性。比能量仅提供电池性能的一部分。另请参阅 BU-501a：锂离子电池的放电特性 ，比较能量电池和动力电池。

钴酸锂(LiCoO ₂ ) — LCO

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。该电池由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成。阴极具有层状结构，在放电过程中，锂离子从阳极移动到阴极。流动在充电时反转。钴酸锂的缺点是寿命相对较短、热稳定性低和负载能力（比功率）有限。图 1 说明了该结构。

图 1： 锂钴结构。 阴极具有层状结构。在放电过程中，锂离子从阳极移动到阴极；充电时，流动是从阴极到阳极。 资料来源：Cadex

钴酸锂的缺点是寿命相对较短、热稳定性低和负载能力（比功率）有限。与其他钴混合锂离子一样，钴锂具有石墨负极，通过改变 固体电解质界面 (SEI)、在负极上增厚和在快速充电和低温充电时镀锂来限制循环寿命。较新的系统包括镍、锰和/或铝，以提高使用寿命、负载能力和成本。

钴酸锂不应在高于其 C 额定值的电流下充电和放电。这意味着2,400mAh的18650电芯只能在2,400mA下充放电。强制快速充电或施加高于 2,400mA 的负载会导致过热和过度压力。为了获得最佳的快速充电效果，制造商建议使用 0.8C 或大约 2,000mA 的 C-rate。（参见 BU-402：什么是 C 率）。强制电池保护电路将能量电池的充电和放电速率限制在大约 1C 的安全水平。

六边形蜘蛛图（图 2）总结了锂钴在与运行时间相关的 比能量 或容量方面的性能； 特定功率 或提供高电流的能力； 安全;  在高温和低温下的 性能；反映循环寿命和寿命的寿命 ；和 成本。蜘蛛网中未显示的其他重要特征是毒性、快速充电能力、自放电和保质期。（参见 BU-104c：八角形电池——是什么让电池成为电池）。

钴锂正在失去对锂锰的青睐，尤其是 NMC 和 NCA，因为钴的成本高，而且通过与其他活性正极材料混合可以提高性能。（参见下面对 NMC 和 NCA 的描述。）

图 2： 普通锂钴电池的快照。 钴酸锂在高比能方面表现出色，但仅提供中等性能比功率、安全性和寿命。 资料来源：Cadex

汇总表

钴酸锂：  LiCoO 2 阴极（~60% Co），石墨阳极 简称：LCO 或 Li-cobalt。自 1991 年起
电压	标称 3.60V；典型工作范围 3.0–4.2V/cell
比能（容量）	150–200 瓦时/千克。特种电池提供高达 240Wh/kg。
充电（C 率）	0.7–1C，充电至 4.20V（大多数电池）；典型充电 3 小时。超过 1C 的充电电流会缩短电池寿命。
放电（C 率）	1C; 2.50V 切断。超过 1C 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)。充满电促进热失控
应用	手机、平板电脑、笔记本电脑、相机
评论 2019 更新：	非常高的比能，有限的比功率。钴很贵。用作能量电池。市场份额趋于稳定。 早期版本；不再相关。

表 3：钴酸锂的特性。

锂锰氧化物 (LiMn ₂ O ₄ ) — LMO

含锰尖晶石的锂离子电池  于 1983 年首次发表在Materials Research Bulletin上。1996 年，Moli Energy 将以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，从而降低内阻并改善电流处理能力。尖晶石的另一个优点是高热稳定性和增强的安全性，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。在 18650 封装中，锂锰可以在 20-30A 的电流下放电，并产生适度的热量。也可以施加高达 50A 的一秒负载脉冲。此电流下的持续高负载会导致热量积聚，电池温度不能超过 80°C (176°F)。锂锰用于电动工具、医疗器械以及混合动力和电动汽车。

图 4 说明了锂锰电池阴极上三维晶体骨架的形成。这种尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形组成，在初始形成后出现。

图 4：锂锰结构。 锂锰氧化物的正极晶型具有三维骨架结构，在初始形成后出现。尖晶石提供低电阻，但具有比钴更适中的比能。 资料来源：Cadex

锂锰的容量大约比锂钴低三分之一。设计灵活性使工程师能够最大限度地提高电池的使用寿命（寿命）、最大负载电流（比功率）或高容量（比能量）。例如，18650电芯中的长续航版本容量适中，仅为1100mAh；高容量版为1,500mAh。

图 5 显示了典型的锂锰电池的蜘蛛网。这些特性看似微不足道，但较新的设计在特定功率、安全性和使用寿命方面有所改进。纯锂锰电池如今已不常见；它们只能用于特殊应用。

图 5：纯锂锰电池的快照。 虽然整体性能适中，但更新的锂锰设计在比功率、安全性和寿命方面有所改进。 资料来源：波士顿咨询集团

大多数锂锰电池与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合以提高比能量并延长寿命。这种组合在每个系统中发挥了最佳作用，大多数电动汽车都选择了 LMO (NMC)，例如 Nissan Leaf、Chevy Volt 和 BMW i3。电池的 LMO 部分约为 30%，可在加速时提供高电流提升；NMC 部分提供长续航里程。

锂离子研究主要倾向于将锂锰与钴、镍、锰和/或铝结合作为活性阴极材料。在某些架构中，阳极中添加了少量硅。这提供了 25% 的容量提升；然而，增益通常与更短的循环寿命有关，因为硅会随着充电和放电而生长和收缩，从而导致机械应力。

可以方便地选择这三种活性金属以及硅增强剂来提高比能量（容量）、比功率（负载能力）或寿命。虽然消费电池追求高容量，但工业应用需要电池系统具有良好的负载能力、长寿命并提供安全可靠的服务。
汇总表

锂锰氧化物：  LiMn 2 O 4 正极。石墨阳极 简称：LMO 或锂锰（尖晶石结构）自 1996 年起
电压	标称 3.70V (3.80V)；典型工作范围 3.0–4.2V/cell
比能（容量）	100–150瓦时/千克
充电（C 率）	典型值 0.7–1C，最大值 3C，充电至 4.20V（大多数电池）
放电（C 率）	1C; 某些电池可能达到 10C，30C 脉冲（5 秒），2.50V 截止电压
循环寿命	300-700（与放电深度、温度有关）
热失控	典型值 250°C (482°F)。高电荷促进热失控
应用	电动工具、医疗设备、电动传动系统
评论 2019 更新：	功率大但容量小；比锂钴安全；通常与 NMC 混合使用以提高性能。 现在不太相关；增长潜力有限。

表 6：锂锰氧化物的特性。

 

锂镍锰钴氧化物 (LiNiMnCoO ₂ ) — NMC

最成功的锂离子系统之一是镍-锰-钴 (NMC) 的阴极组合。与锂锰类似，这些系统可以定制用作 能量电池 或 动力电池。例如，在中等负载条件下，18650 电池中的 NMC 容量约为 2,800mAh，可提供 4A 至 5A 的电流；针对特定功率优化的同一电池中的 NMC 容量仅为 2,000mAh 左右，但可提供 20A 的连续放电电流。硅基阳极将达到 4,000mAh 或更高，但负载能力降低且循环寿命缩短。添加到石墨中的硅的缺点是阳极会随着充电和放电而生长和收缩，从而使电池的机械性能不稳定。

NMC 的秘诀在于结合镍和锰。与此类比的是食盐，其中的主要成分钠和氯化物本身是有毒的，但将它们混合可用作调味盐和食品保鲜剂。镍以比能高但稳定性差着称；锰具有形成尖晶石结构以实现低内阻的优点，但提供低比能。结合金属可以增强彼此的优势。

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的镍、三分之一的锰和三分之一的钴，也称为 1-1-1。钴价格昂贵且供应有限。电池制造商正在通过降低性能来降低钴含量。一个成功的组合是含有 5 份镍、3 份钴和 2 份锰的 NCM532。其他组合是 NMC622 和 NMC811。钴稳定镍，一种高能活性材料

新的电解质和添加剂可以充电至 4.4V/电池甚至更高，以提高容量。图 7 展示了 NMC 的特性。

图 7：NMC 的快照。 NMC 具有良好的综合性能，并且在比能量方面表现出色。这种电池是电动汽车的首选电池，自热率最低。 资料来源：波士顿咨询集团

由于该系统可以经济地构建并且具有良好的性能，因此正在转向混合 NMC 的锂离子电池。镍、锰和钴这三种活性材料可以轻松混合，以适应需要频繁循环的汽车和储能系统 (ESS) 的广泛应用。NMC 家族的多样性不断增加。

汇总表

锂镍锰钴氧化物：  LiNiMnCoO 2。阴极，石墨阳极 简称：NMC（NCM、CMN、CNM、MNC、MCN 相似，但不同的金属组合）自 2008 年起
电压	标称 3.60V、3.70V；典型工作范围 3.0–4.2V/cell，或更高
比能（容量）	150–220瓦时/千克
充电（C 率）	0.7–1C，充电至4.20V，部分充电至4.30V；典型充电 3 小时。超过 1C 的充电电流会缩短电池寿命。
放电（C 率）	1C; 2C 在某些电池上可能；2.50V截止
循环寿命	1000-2000（与放电深度、温度有关）
热失控	210°C (410°F) 典型值。高电荷促进热失控
成本	~每千瓦时 420 美元（来源：RWTH，亚琛）
应用	电动自行车、医疗设备、EV、工业
评论 2019 更新：	提供高容量和高功率。作为混合电池。多种用途最喜欢的化学物质；市场份额不断增加。 领先系统；主导的阴极化学。

  表 8： 锂镍锰钴氧化物 (NMC ) 的特性。

 

磷酸铁锂(LiFePO ₄ ) — LFP

1996 年，德克萨斯大学（和其他贡献者）发现磷酸盐可作为可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。纳米级磷酸盐阴极材料使这成为可能。主要优点是高额定电流和长循环寿命，此外还有良好的热稳定性、增强的安全性和滥用容忍度。

如果长时间保持在高电压下，磷酸锂对完全充电条件的耐受性更高，并且比其他锂离子系统的压力更小。（参见 BU-808：如何延长锂基电池的寿命). 作为权衡，其 3.2V/电池的较低标称电压将比能量降低到低于钴混合锂离子的比能量。对于大多数电池，低温会降低性能，升高的储存温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。与其他锂离子电池相比，磷酸锂具有更高的自放电率，这会随着老化而导致平衡问题。这可以通过购买高质量电池和/或使用复杂的控制电子设备来缓解，这两者都会增加电池组的成本。制造过程中的清洁度对于寿命很重要。不能容忍潮湿，以免电池只能循环使用 50 次。图 9 总结了磷酸锂的属性。

磷酸锂常用来代替铅酸启动电池。四个串联的电池产生 12.80V，与六个串联的 2V 铅酸电池的电压相似。车辆将铅酸电池充电至 14.40V（2.40V/电池）并保持顶部充电。顶部充电用于保持完全充电水平并防止  铅酸电池硫酸化。

使用四个串联的磷酸锂电池，每个电池的最高电压为 3.60V，这是正确的满充电电压。此时，应断开充电，但在行驶过程中充电仍在继续。磷酸锂可以承受一些过度充电；然而，将电压长时间保持在 14.40V，就像大多数车辆在长途旅行中所做的那样，可能会对磷酸锂造成压力。时间会证明磷酸锂作为铅酸替代品与常规车辆充电系统的耐用性。低温也会降低锂离子电池的性能，这可能会影响极端情况下的启动能力。

图 9：典型磷酸锂电池的快照。 磷酸锂具有出色的安全性和长寿命，但比能量适中且自放电较高。 资料来源：Cadex

汇总表

磷酸铁锂：  LiFePO 4 阴极，石墨阳极 简称：LFP 或磷酸锂。LIP 也很常见。自1996年
电压	标称 3.20、3.30V；典型工作范围 2.5–3.65V/cell
比能（容量）	90–120瓦时/千克
充电（C 率）	1C 典型值，充电至 3.65V；典型充电时间 3 小时
放电（C 率）	1C, 25C 在一些细胞上；40A脉冲（2s）；2.50V 截止电压（低于 2V 会造成损坏）
循环寿命	2000 及以上（与放电深度、温度有关）
热失控	270°C (518°F) 即使充满电也非常安全的电池
成本	~每千瓦时 580 美元（来源：RWTH，亚琛）
应用	需要高负载电流和耐用性的便携式和固定式
评论 2019 更新：	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。自放电升高。主要用于储能，适度增长。

表 10： 磷酸铁锂的特性。

 有关锰增强型 L-磷酸盐的信息，请参见 磷酸锰铁锂(LMFP)。

锂镍钴铝氧化物 (LiNiCoAlO ₂ ) — NCA

锂镍钴铝氧化物电池，或 NCA，自 1999 年以来一直用于特殊应用。它通过提供高比能量、相当好的比功率和长寿命与 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；添加铝使化学稳定性更高。

图 11：NCA 的快照。 高能量和功率密度以及良好的使用寿命使 NCA 成为 EV 动力总成的候选者。高成本和边际安全性是负面的。 资料来源：Cadex

汇总表

锂镍钴铝氧化物：  LiNiCoAlO 2 阴极（~9% Co），石墨阳极 简称：NCA 或锂铝。自1999年
电压	标称 3.60V；典型工作范围 3.0–4.2V/cell
比能（容量）	200-260瓦时/千克；300Wh/kg 可预测
充电（C 率）	0.7C，充电至 4.20V（大多数电池），典型充电 3 小时，某些电池可以快速充电
放电（C 率）	1C 典型值；3.00V截止；高放电率缩短电池寿命
循环寿命	500（与放电深度、温度有关）
热失控	150°C (302°F) 典型值，高电荷促进热失控
成本	~每千瓦时 350 美元（来源：RWTH，亚琛）
应用	医疗设备、工业、电动动力总成（特斯拉）
评论 2019 更新：	与钴酸锂有相似之处。用作能量电池。 主要由松下和特斯拉使用；发展潜能。

表 12：锂镍钴铝氧化物的特性。

钛酸锂 (Li ₂ TiO ₃ ) — LTO

自 1980 年代以来，钛酸锂阳极电池就为人所知。钛酸锂取代了典型锂离子电池阳极中的石墨，材料形成尖晶石结构。阴极可以是锂锰氧化物或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，即额定容量的 10 倍。据说循环计数高于普通锂离子电池。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（通常为Li4Ti ₅ O ₁₂）与传统的钴混合锂离子石墨阳极相比，具有零应变特性、快速充电和低温充电时不形成SEI膜和不镀锂的优点。高温下的热稳定性也优于其他锂离子系统；但是，电池很贵。仅 65Wh/kg，比能量低，可与 NiCd 媲美。钛酸锂充电至2.80V/cell，放电末期为1.80V/cell。图 13 说明了钛酸锂电池的特性。典型用途是电力传动系统、UPS 和太阳能路灯。

图 13：锂钛酸盐的快照。 钛酸锂在安全性、低温性能和寿命方面表现出色。正在努力提高比能和降低成本。 资料来源：波士顿咨询集团

 

汇总表

钛酸锂： 阴极可以是锰酸锂或NMC；Li 2 TiO 3  （钛酸盐）阳极 简称：LTO 或 Li-titanate 大约从 2008 年开始在市场上销售。
电压	标称 2.40V；典型工作范围 1.8–2.85V/cell
比能（容量）	50–80瓦时/千克
充电（C 率）	1C 典型值；最大 5C，充电至 2.85V
放电（C 率）	10C可能，30C 5s脉冲；LCO/LTO 上的 1.80V 截止电压
循环寿命	3,000–7,000
热失控	最安全的锂离子电池之一
成本	~每千瓦时 1,005 美元（来源：RWTH，亚琛）
应用	UPS、电力传动系统（三菱 i-MiEV、本田飞度 EV）、 太阳能路灯
评论 2019 更新：	寿命长，充电快，温度范围宽，但比能量低，价格昂贵。最安全的锂离子电池之一。 超快充电能力；特殊应用的高成本限制。

表 14：钛酸锂的特性。

未来电池

固态锂离子：比能量高但负载和安全性差。
锂硫：比能量高但循环寿命差，负载差
锂空气：比能量高但负载差，需要清洁空气呼吸，寿命短。

图 15 比较了铅基、镍基和锂基系统的比能。虽然锂铝 (NCA) 是明显的赢家，因为它比其他系统储存了更多的容量，但这仅适用于比能量。在比功率和热稳定性方面，锂锰（LMO）和磷酸锂（LFP）更胜一筹。钛酸锂 (LTO) 的容量可能较低，但这种化学物质在使用寿命方面比大多数其他电池都长，而且还具有最佳的低温性能。转向电动动力系统，安全性和循环寿命将比容量更重要。（LCO 代表锂钴，原始的锂离子。）

图 15：铅基、镍基和锂基电池的典型比能量。
NCA享有最高的比能量；然而，锰和磷酸盐在比功率和热稳定性方面更胜一筹。钛酸锂具有最好的寿命。