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六种常见锂电池类型以及它们的主要性能参数汇



  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,锰酸锂,镍钴锰酸锂(NCM),镍钴铝酸锂(NCA),磷酸铁锂,钛酸锂。

  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。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,钴酸锂采用石墨负极,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负极镀锂问题。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。

  图1 平均钴酸锂电池的蜘蛛图六角蜘蛛图总结了与运行相关的具体能量或容量方面的钴酸锂性能。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。

  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正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,电池温度不能超过80°C。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。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或容量。 图3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。

  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/或铝组合作为活性正极材料。在一些架构中,少量硅被添加到负极。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。

  最成功的锂离子体系之一是镍锰钴(NMC)的正极组合。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。硅基负极将达到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,即负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。正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正极材料组合。

  由于钴的高成本,电池制造商从钴系转向镍正极。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。

  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的广泛应用。NMC家族的多样性正在增长。

  1996年,德克萨斯大学发现磷酸盐可作为再充电锂电池的正极材料。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7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。

  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9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。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。

  自二十世纪八十年代以来,钛酸锂负极的电池已为人所知。钛酸锂代替典型锂离子电池负极中的石墨,并且材料形成尖晶石结构。正极可以是锰酸锂或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Li4Ti5O12)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。

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