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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课堂｜锂电池性能各参数解析

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来源：汽车人参考

作为一篇入门的文章，笔者先跟大家分享一下动力电池的性能参数，虽然这些个参数都比较偏理论叙述，但是却是动力电池最基本的元素，就像一把钥匙，通过它们才能评价动力电池的好坏，才能打开这扇大门。

我们先来复习一下高中知识...

电压（Ｖ）

开路电压，顾名思义，即电池外部不接任何负载或电源，测量电池正负极之间的电位差，即为电池的开路电压。工作电压，与开路电压相对应，即电池外接上负载或电源，有电流流过电池，测量所得的正负极之间的电位差。

由于电池内阻的存在，放电状态时（外接负载），工作电压低于开路电压，充电时（外接电源）的工作电压高于开路电压。

电池容量（Ah）

能够容纳或释放的电荷Q，Q=It，即电池容量（Ah）＝电流（A）x 放电时间（h），单位一般为Ah（安时）或mAh（毫安时）。

比如车内蓄电池标注16Ah，那么在工作时电流为1A的时候，理论上可以使用16小时。

电池能量（Wh）

电池储存的能量，单位为Wh（瓦时），能量（Wh）＝电压（V）×电池容量（Ah）。

如下图，为标识为3.7V/10000mAh的电池，其能量为37Wh，而如果我们把4节这样的电池串联，就组成了一个电压是14.8V，容量为10000mAh的电池组，虽然没有提高电池容量，但总能量确提高了4倍。

（写到这儿笔者看了一下自己的充电宝标识，特意搜索了下民航规定不能携带超过160Wh…）

复习了高中知识，我们下面来一点干货...

能量密度（Wh/L & Wh/kg）

单位体积或单位质量电池释放的能量。

如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接简称为能量密度；

如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。

如一节锂电池重300g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其比能量为123 Wh/kg。

根据16年发布的“节能与新能源汽车技术路线图”，我们可以大概对动力电池发展趋势有一个概念，下图所示，到2020年，纯电动汽车电池单体比能量要达到350Wh/kg

功率密度（W/L & W/kg）

将能量除以时间，便得到功率，单位为W或kW。同样道理，功率密度是指单位质量（有些地方也直接叫比功率）或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。

比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。

比能量和比功率究竟有什么区别？

举个形象的例子：

比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟，耐力好，可以长时间工作，保证汽车续航里程长；

比功率高的动力电池就像龟兔赛跑里的兔子，速度快，可以提供很高的瞬间电流，保证汽车加速性能好；

下面的参数稍微有点绕口...

电池放电倍率（C）

放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（Q）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。即：充放电电流（A）/额定容量（Ah），其单位一般为C ( C-rate的简写)，如0.5C，1C，5C等

举个例子，对于容量为24Ah电池来说：

用48A放电，其放电倍率为2C，反过来讲，2C放电，放电电流为48A，0.5小时放电完毕；

用12A充电，其充电倍率为0.5C，反过来讲，0.5C充电，充电电流为12A，2小时充电完毕；

电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。

荷电状态（%）

SOC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。

其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统（BMS）就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作，所以它是电池管理的核心。

目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等，我们以后再详细解读。

内阻

内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。包括欧姆内阻和极化内阻，其中：欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

用数据说话，下图表示一电池放电曲线，X轴表示放电量，Y轴表示电池开路电压，电池理想放电状态为黑色曲线，红色曲线是考虑到电池内阻时的真实状态。

图示：Qmax为电池最大化学容量；Quse为电池实际容量；Rbat表示电池的内阻；EDV为放电终止电压；I为放电电流；

从图中可以看出，电池实际容量Quse < 电池理论上的最大化学容量Qmax。由于电阻的存在，电池的实际容量会降低。我们也可以看到，电池实际容量Quse取决于两个因素：放电电流I与电池内阻Rbat的乘积，以及放电终止电压EDV是多少。需要指出的是电池内阻Rbat会随着电池的使用而逐渐增大。

内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ)，内阻大的电池，在充放电的时候，内部功耗大，发热严重，会造成电池的加速老化和寿命衰减，同时也会限制大倍率的充放电应用。所以，内阻做的越小，电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

自放电

电池自放电，是指在开路静置过程中电压下降的现象，又称电池的荷电保持能力。

一般而言，电池自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种：容量损失可逆，指经过再次充电过程容量可以恢复；容量损失不可逆，表示容量不能恢复。

目前对电池自放电原因研究理论比较多，总结起来分为物理原因（存储环境，制造工艺，材料等）以及化学原因（电极在电解液中的不稳定性，内部发生化学反应，活性物质被消耗等），电池自放电将直接降低电池的容量和储存性能。

寿命

电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命指的是电池可以循环充放电的次数。即在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。

日历寿命是指电池在使用环境条件下，经过特定的使用工况，达到寿命终止条件(容量衰减到80%) 的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合的，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。

循环寿命是一个理论上的参数，而日历寿命更具有实际意义。但日历寿命的测算复杂，耗时长，所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

上图为一三元锂电池的充放电特性图，可以看出，不同的充放电方式对电池的寿命影响不一样，如上图数据，以25%-75%充放电的寿命可以达到2500次，即我们所说的电池浅充浅放。电池寿命这个话题我们以后还会深入讨论。

电池组的一致性

这个参数比较有意思，即使是同一规格型号的电池单体在成组后，电池组在电压、容量、内阻、寿命等性能有很大的差别，在电动汽车上使用时，性能指标往往达不到单体电池的原有水平。

目前比较合理的解释：

单体电池在制造出来后，由于工艺的问题，导致内部结构和材质不完全一致，本身存在一定性能差异。初始的不一致随着电池在使用过程中连续的充放电循环而累计，再加上电池组内的使用环境对于各单体电池也不尽相同，导致各单体电池状态产生更大的差异，在使用过程中逐步放大，从而在某些情况下使某些单体电池性能加速衰减，并最终引发电池组过早失效。