详细解读LCO锂电池热失控全过程！
锂离子电池热失控会严重的威胁使用者的生命和财产安全，引起锂离子电池热失控的原因很多，例如机械滥用、电滥用和热滥用等，其中电滥用是最为常见的导致锂离子电池热失控的原因，例如在低温下为锂离子电池充电，过度充电都会引起金属Li在负极表面析出，严重的情况下会生长为锂枝晶，穿透隔膜引起正负极短路，导致热失控的发生。LCO材料理论容量为274mAh/g左右，通常为了保持LCO材料结构的稳定性，我们一般会将充电电压设定在4.2V左右，在发生过充时LCO材料的电压会进一步提高，从而导致过量的Li从LCO材料中脱出，例如充电到4.6V时LCO材料的脱Li量可达220mAh/g以上，这不仅仅会导致负极析Li，还会引起LCO材料的不可逆相变。
伦敦大学学院（感谢读者朋友的提醒，确实应翻译为伦敦大学学院）的Donal P. Finegan等人对在过充导致的锂离子电池热失控中LCO材料材料结构和形貌的变化进行了研究， 高温下LCO会与电解液分解产生大量的气体，引起电芯结构的变形，同时分解反应还会导致LCO材料颗粒的破碎，引起新的界面漏出，加剧分解反应。
实验中采用的锂离子电池为Turnigy nanotech的160mAh软包锂离子电池，其正极材料LCO材料，负极采用石墨材料，实验过充中采用3A的电流对电池进行持续的过充，一直到电池发生热失控。下图b为该电池在持续过充过程中电池表面温度和电压变化的曲线，从图中能够看到在前110s过程中电池温度缓慢的从20℃升高到40℃，随后电池的电压曲线出现了一个平台，在120s后，电池的电压开始再次快速上升，同时伴随着电池的温度的快速上升。在180s后电池的电压也是出现了一个阶跃，直接升高到设备的最高电压，在这一过程中电池的温度也短时间内大幅升高，达到热成像相机的最高温度以上，电池发生热失控。
可以看一下几个关键现象节点的动图：
150s左右，软包电池的边缘开始裂开
180s左右，裂口进一步扩大，开始有大量烟冒出
197s左右，电池热失控
在电池的温度和电压发生变化的同时电池内部的结构也在发生改变，从下图的CT照片能够看到过充80s后电池的温度达到40℃后，电解液和SEI膜分解产生的气体已经开始导致电池发生膨胀，在120s后电池的膨胀进一步加剧，电芯的外层开始出现正极活性物质分层和剥离，在160s时电芯内部已经出现了大量的LCO材料剥离的现象，这也表明电解液此时已经大量气化，同时LCO也开始大量分解产生气体。
为了详细的分析在热失控过程中锂离子电池内部结构的变化，Donal P. Finegan还通过CT技术对热失控前后的电池结构进行了重建（如下图所示），其中灰色部分表示LCO，黄色部分为Cu集流体。从下图b中我们能够看到在热失控后在电芯的底部和上部都出现了Al颗粒，这是在热失控的过程中LCO和电解液分解产生的气体从电芯中冲出的过程中将熔化的Al带到电芯的外部，重新凝固形成的，表明电池发生热失控时电池内部的温度要高于660℃（Al的熔点）。
Li0.5CoO2材料材料在高于130℃后会与电解液发生分解反应（如下式1所示）产生CO2和H2O，在温度高于150℃时Li0.5CoO2材料还能够与电解液发生反应生成LiCoO2、Co3O4、CoO甚至是Co（如下式2、3、4所示），反应过程中产生的CO2还会进一步与LiCoO2产生反应（如下式5所示）。
上述的反应大部分发生在LCO与电解液的界面，因此LCO颗粒的形貌对于其热稳定性具有重要的影响，Donal P. Finegan利用CT技术对于反应后的LCO电极的结构进行了重构（如下图所示），从下图中我们LCO材料在热失控中微观结构遭到了严重的破坏，分解反应产生的金属Co（绿色部分）会从颗粒表面剥离，将新的LCO颗粒表面暴漏出来，从而进一步加剧分解反应。
在电池中间的位置由于温度很高，同时又存在大量的电解液，因此LCO能够最终分解为金属Co，但是在靠近电池表面的位置由于温度相对较低，因此LCO并不会分解成为金属Co，而是分解成较为稳定的Co3O4和CoO，从而导致LCO颗粒的体积收缩，因此我们能够在靠近电池表面的位置观察到大量的破碎的LCO颗粒（如下图所示）。
热失控过程中LCO材料的分解反应导致LCO颗粒的破碎，从而产生更小的颗粒，因此从粒度分布上我们也能够看到热失控对于LCO材料的影响。从下图中的粒度分布能够看到，在热失控之前LCO材料的D50大约在3.87um左右，在发生热失控后LCO材料的D50出现了明显的下降，位于中间位置的LCO材料D50位1.99um，位于外表的LCO材料D50位1.97um，比初始值下降了一半，表明热失控中LCO材料发生了颗粒破碎的现象。
Donal P. Finegan的工作很好的还原了LCO电池的在热失控中电芯结构的变化，以及导致电芯结构变化的因素。LCO材料在高温下能够与电解液发生分解反应，一方面会产生大量的气体，引起电芯的变形和LCO材料的剥离，此外分解反应还会导致LCO材料发生分解和破碎，导致新的表面漏出进一步加剧分解反应。
本文主要参考以下文献，文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论，以及课堂教学和科学研究，不得作为商业用途。如有任何版权问题，请随时与我们联系。
Investigating lithium-ion battery materials during overcharge- induced thermal runaway: An operando and multi-scale X-ray CT study, J. Name., 2013, 00, 1-3 | 1, Donal P. Finegan, Mario Scheel, James B. Robinson, Bernhard Tjaden, Marco Di Michiel, Gareth Hinds, Dan J.L. Brett & Paul R. Shearing
本文首发自同名公众号：连线新能源（ID：NELinked），作者：凭栏眺
不同类型锂电池性能不同在哪里，汇总常见六种锂电池特性及参数
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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），钛酸锂（Li4Ti5O12）。
钴酸锂（LiCoO 2）
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。
由于钴的高成本以及通过与其他活性阴极材料混合材料带来的明显性能改善，钴酸锂正在逐步被锰酸锂替代，尤其是NMC和NCA。（请参阅下面对NMC和NCA的描述。）
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，雪佛兰Volt和宝马i3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（LiNiMnCoO 2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Li4Ti5 O12）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。
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