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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锂电池VS铅酸电池，谁是电池之王？锂电池的未来又在哪里？
现在市面上汽车类的电池，一般分为锂电池和铅酸电池两类，但是在所有人看来，锂电池却比铅酸电池要好得多，这是为什么呢？
咱们钟爱的锂电池，到底比铅酸电池好在哪？锂电池环保高效的背后，又是怎样的原理？有传言说锂材料马上就要用完了，这是空穴来风还是确有其事，这一论调是谁提出来的，如果是真的，那么锂电池的未来在哪里？
锂电池有多重要？没有锂电池，我们的手机电脑或许将变成一堆废品。锂电池为什么好？因为它高效节能而且环保，是人类新能源发展的标杆，代表了人类未来能源的发展方向。
看完了这些，有朋友就提出意见了，这些我们都知道，都是空话，我们要听实际的。接下来，咱们就从三点来分析一下锂电池和铅酸电池的优劣对比。
第一点，先说体积和重量，这或许也是很多电动汽车主们关心的问题，毕竟谁也不想自己的车上时时刻刻搭载着一个大铁驼子。在这一方面，锂电池拥有着不小的优势。重量35KG的常规铅酸电池达到的容量，重量不到10KG的锂电池就可以做到。而且同等容量的锂电池，体积也只有铅酸电池的二分之一不到。在续航能力上，根据放电曲线，锂电池也要优于铅酸电池。在面对严寒的时候，铅酸电池已经败下阵来，续航能力在零下十度的环境中直接减少了一半，如果温度到了零下二十度，铅酸电池的续航能力直接归于零。但是锂电池却不一样，在这样的环境中，续航能力依旧不会受到太大影响。
第二点，使用寿命。锂电池的使用寿命要远远高于铅酸电池。铅酸电池的普遍寿命在1年左右，当然了这里的一年指的是大多数商家给我们保证的寿命，但是在锂电池上，商家给我们担保的寿命却基本都是三年打底。因为铅酸电池寿命太短所以商家只敢保一年，而锂电池因为寿命太长，哪怕商家含蓄一些，担保的时间都是铅酸电池的几倍。除了这些，在自放电率上，锂电池也要远远优于铅酸电池。亏电报废相信是很多电动车主们都头疼的问题，这点在铅酸电池的身上体现的是淋漓尽致，这主要是因为铅酸电池的自放电率很高，即使你不使用，它还是会自己偷偷放电，时间久了，电池就出问题了。但是相比之下，锂电池却几乎不会有这个问题。
第三点，也是咱们大家都熟知的环保问题。简单理解就是，铅酸电池当中的铅是重金属，对于环境的破坏更大，而锂电池对于环境的危害却小了很多。在低碳环保席卷全球的当下，哪一款产品更环保，对于环境的危害越小，往往就更有市场。
在这里有朋友提出了问题，锂电池的环保和高效是通过什么样的原理实现的呢？
锂电池分为锂金属电池和锂离子电池，咱们用得较多的是锂离子电池。以锂离子电池举例，简单地来说，其功能是通过锂离子在正负极之间的来回移动实现的。充电的时候，锂离子离开了正极，经过正负极之间的电解液，投入了负极的怀抱，关于这一过程，专业的来说叫脱嵌和嵌入。也正是因为锂离子的跑来跑去，锂电池又得到了另外的称呼——摇椅电池。
相比之下的锂金属电池就要逊色一些，因为是通过锂的氧化或者腐蚀来实现放电的，所以基本上就是个一次性产品，但却是高能量密度储存设备发展的一个方向。所以这二者都很强，当然了要说可循环环保的话还是要看锂离子电池。
看到这里，大家是不是觉得，既然锂电池如此优秀，那么在市场上肯定是碾压铅酸电池的吧？并不是，要是真的能碾压，现在市场上也就基本看不到铅酸电池了，究其原因有这么几条。第一点那就是价格问题，咱们在刚刚也说过了，锂电池的体积和重量都要小于铅酸电池，所以锂电池的制造难度就更高，于是价格也就更贵。
对于市场来说，产品的优劣是一方面，几个也是一方面。第二点，对于普通的电动车来说，铅酸电池就够用了，完全能够满足需要，所以相比之下价格较高的锂电池就显得不是那么出彩。并且因为锂电池比较娇贵，而且返修时间长，于是消费者的选择大都集中在价廉结实的铅酸电池上。
但是不管怎么说，锂电池才是未来新能源电池发展的方向，并且随着技术的进步，以上的这些问题都终将解决。
在这里有朋友提出了意见，既然你说锂电池是未来发展的方向，可是在开头的还是又说锂资源马上就用完了，这不是自相矛盾吗？
并不是，锂资源在未来的十年可能就被用完了，提出这一论调的可不是一般人，而是锂电池之父——斯坦利·惠廷汉姆，一位获得诺贝尔化学家的大人物。之所以锂资源将被耗尽是因为新能源产业的大量发展，导致锂的消耗加剧。这样严苛的环境也对锂电池的发展提出了更高的要求，概括来说自然是更先进，就是提高锂电池的能量，提升其能源密度。
而在锂电池的研究上，来自美国宾夕法尼亚州立大学的王朝阳，在这一方面取得了巨大的突破。他在电池和储能方面的研究以及材料的创新，为我们打开了另一扇大门。到目前，王朝阳和他的团队已经研究出了全气候电池、十分钟快充电池、硕安电池以及低成本的热调控磷酸铁锂电池，而这只是开始。
从王朝阳的研究当中，我们或许该思考这样一个问题，科学技术给我们带来的，究竟是什么，是更好的生活，还是人类整体层次的跃迁和进化？能源的应用到最后是一个怎样的状态？现在人类对于能源的应用以及自身目标的实现还要依靠外物，发电要靠火力、风力以及太阳能，出行要依靠火车飞机等工具，这是否是对于我们的制约？
如果有一天科技的发展让我们摆脱外物的依赖，依靠人体自身就能够实现各种能源的利用和释放，人体本身就成为了一块高能电池，那将是一个什么样的场景？或者这才是人类能源发展到最后的呈现方式。或许最大的能源就隐藏在人类的基因深处，只是我们从未发觉。
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