市場主流鋰離子電池優(yōu)劣勢對比分析

或許多數(shù)電池用戶會誤認為市場只有一種鋰離子電池，但想想，就連蘋果樹都有品種之分,而我們的鋰電池也不例外，主要差別在于電池正極材料上。同時，市場不斷出現(xiàn)的創(chuàng)新型正極材料正逐步改進和取代傳統(tǒng)碳負極（石墨）。科學家更傾向于用化學名稱和慣用的材料名稱命名電池，除非你是一名化學家，否則這將是一項繁瑣的事。表1列出了幾種電池的全名、化學名稱、縮寫以及簡寫（本文盡可能使用電池簡寫論述），表中列出了目前市場上主體的鋰離子電池，對比講包括市場上受眾面相對少、高端的NCA和鈦酸鋰電池?；瘜W名材料縮寫簡寫備注鉆酸鋰LiCoO2(60%Co)LCOLi-cobalt容量大；應用于手機、手提電腦、相機等錳酸鋰LiMnQ24LMOLi-manganese,orspinel咼安全性；相比鉆酸鋰容量較小，倍率性能和循環(huán)壽命更好應用于電動自行電動汽車等動力系統(tǒng)和醫(yī)院、生活類儲能方面磷酸鐵鋰LiFePQLFPLi-phosphate三元材料LiNiMnC。。2(1020%Co)NMCNMC聚合物鋰電LiNiCoAlO29%Co)NCANCA應用于高效電力輸送和電網(wǎng)儲能以及電動汽車等鈦酸鋰2Li4Ti5O12LTOLi-titanate為了更多地了解六種慣用鋰離子電池的獨特性和局限性，我們使用蜘蛛圖解析并觀察整體性能。首先我們分析鉆酸鋰-一種為高端客戶通常使用的鋰電產(chǎn)品；然后是錳酸鋰和磷酸鐵鋰,這兩種較多應用在電動工具；最后分析的是新型材料如三元素、聚合物鋰電以及高端的鈦酸鋰鋰離子電池。鉆酸鋰(LiCoO2)

高能量比特性使得鉆酸鋰成為應用于手機、手提電腦和相機鋰電池普遍選擇。鉆酸鋰鋰電池是由鉆氧化物正極材料和碳負極材料組成，碳負極具有層狀結(jié)構，在放電過程中鋰離子從正極移動到負極，而充電時鋰離子運動方向正好相反。鉆酸鋰的缺點在于循環(huán)壽命相對較短且功率比低、負載能力有限。圖2給出了層狀結(jié)構圖。圖2:鉆酸鋰結(jié)構負極材料層狀結(jié)構使得電池在放電過程中鋰離子從正極移動到負極；充電時，鋰離子從負極移動到正極。鉆酸鋰在大倍率充放電性能上較弱，例如2400mAh的18650電芯只能用2400mAh電流進行充放電。如果超過24010mAh進行快充或加大負載情況會導致電池過熱和過壓。談及最佳快充定義時，廠家給出了0.8C倍率充電或者電流在1920mAh.電路保護系統(tǒng)把充放電倍率強制控制在1C的安全水平。圖3總結(jié)了鉆酸鋰在能量比（功率）性能、容量或高倍率放電性能、安全性能、高低溫性能、循環(huán)壽命以及成本幾點主要方面的性能。這幅蜘蛛圖簡單清晰地分析了電池各性能的特點和優(yōu)劣勢。圖3:鉆酸鋰電池平均快照鉆酸鋰有著較高的能量比特性，但在電池功率比、安全性和循環(huán)壽命上性能一般。錳酸鋰(LiMn2O4)1983年，材料研究所首次公布了尖晶石型的錳酸鋰材料。1996年，摩力能源講錳酸鋰正極材料商業(yè)運作。該體系形成一個三維的尖晶石結(jié)構，提高了在電極上的離子流，從而降低了

內(nèi)部電阻同時提高了電流保持性能。尖晶石型結(jié)構更大的一個優(yōu)點是熱穩(wěn)定性和安全性能,但循環(huán)壽命是有限的。最大限度地降低電芯內(nèi)阻是增加快充和大倍率放電的關鍵點。在一組18650電池模塊中，錳酸鋰可在20-30A電流放電伴有適度熱量積累，它也可用于50A時一道兩次的負載脈沖，長時間在這一大電流過載負荷下會導致電芯過熱，電池的工作溫度需控制在80°C內(nèi)。錳酸鋰通常應用于電動工具、醫(yī)療器械、混合動力汽車和純電動汽車領域。ManganeseOxideLithiumIons圖4展示了錳酸鋰材料的尖晶石三維框架，這種尖晶石型的結(jié)構形成了一個類似棱形的分析圖。ManganeseOxideLithiumIons圖4:猛酸鋰結(jié)構錳酸鋰正極材料形成的三維框架的尖晶石結(jié)構降低了電池內(nèi)阻，同時提高了電池能量比特性。雖然錳酸鋰在容量上只有鉆酸鋰的三分之一左右，但是相比于鎳氫電池容量要高出50%。工程師靈活的設計最大化地延長了電池的循環(huán)壽命、負載電流（功率比）和容量比。例如，長壽命的18650電芯通常為1100mAh,高容量的1500mAh的電芯會減少電池使用壽命。筆記本制造商可能會選擇高容量的，然而電動汽車等電動工具廠商更親睞高功率、長循環(huán)壽命的電池。圖5顯示了一個典型的鋰錳電池的蜘蛛網(wǎng)。在此圖表中，所有的特點是微不足道的，然而,新的設計在特定的功率，安全性和壽命方面有所改善。圖5:典型的錳酸鋰蜘蛛圖分析盡管整體性能不錯，但新型錳酸鋰在動率比性能、安全性能和循環(huán)壽命上有所提咼。磷酸鐵鋰(LiFePO4)1996年，德克薩斯大學(和其他研究者)發(fā)現(xiàn)了磷酸鹽作為可充電鋰離子電池的正極材料。磷酸鐵鋰具有良好的電化學性能，電阻較低，這使得納米磷酸鐵鋰材料應用成為可能。磷酸鐵鋰的關鍵優(yōu)勢是高安全性、良好的熱穩(wěn)定性、奶濫用、額定電流高、循環(huán)壽命長，且喝點保持能力較好。貿(mào)易環(huán)境中，低電壓的3.3V單體電芯能量比略小于錳酸鋰。此外，在低溫環(huán)境和高溫存儲性能上要優(yōu)于鉛酸、鎳鎘和鎳氫電池。同時，磷酸鐵鋰較高的自放電率是限制使用壽命一大因素。圖6總結(jié)了磷酸鐵鋰的屬性。圖6:典型的磷酸鐵鋰蜘蛛圖分析磷酸鐵鋰具有較高的安全性和較長的循環(huán)壽命，但較低容量比和較高的自放電率是其劣勢。三元材料(LiNiMnCoO2)領先的電池制造商專注于鎳-錳-鉆(NMC)的正極組合。類似于錳酸鋰，這些系統(tǒng)也可以制作成高能量比或高功率比，但不能同時使用。例如，在18650單體電芯中，供消費者使用的NMC可以調(diào)整至2250mAh，但功率比需適中。在同一個電芯中，高功率比的NMC容量只有1500mAh,而以硅為基本材料的電池可以做至到4000mAh，但是，電池功率比和循環(huán)壽命可能會受到影響三元材料的秘密在于相結(jié)合的鎳和錳，舉個例子，其中食鹽的主要成分為鈉和氯，它們本身是有毒物質(zhì)，但它們混合品成了調(diào)味鹽和食品保護者。眾所周知，鎳元素能量比高，但穩(wěn)定

性地;錳元素具有形成尖晶石結(jié)構的好處，以實現(xiàn)非常低的內(nèi)部電阻，但提供了一個低的特定能量。三兀素材料正是發(fā)揮了三種兀素各自的優(yōu)勢。三元材料在一定程度上市電動工具盒電動汽車動力系統(tǒng)的首選，三分之一的鎳、三分之一的鉆和三分之一的錳組合提供了一個獨特的融合，也降低了原材料成本，由于鉆的含量減少,適當平衡的開發(fā)制造商保持一個良好的保密措施是非常重要的。圖7表明的三元材料的特性。圖7:三元材料的蜘蛛圖分析三元材料有著很好的綜合性能，特別是能量比較高，非常適用于電動交通工具，有著非常低的自加熱率。聚合物鋰電(LiNiCoAIO2)Spe匚亡「gyPerfornnanoeCostSpecificpowerLifespanSpe匚亡「gyPerfornnanoeCostSpecificpowerLifespan圖8:聚合物鋰電蜘蛛圖分析高能量比和高功率比使得聚合物電池成為電動汽車的動力系統(tǒng)首選，但成本高和安全性不高是其劣勢。鈦酸鋰(Li4Ti5O12)自20世紀80年代以來，以鈦酸鋰為負極的鋰電池已經(jīng)出現(xiàn)。尖晶石型結(jié)構的鈦酸鋰負極材

料逐步替代了主流的碳負極材料，鈦酸鋰單體電池標稱電壓為2.40V,可以進行快充快放和

10C電流大倍率放電或額定容量的10倍。兩萬次以上的循環(huán)壽命要遠遠優(yōu)于同類其他材料鋰電池，具有優(yōu)異的低溫放電特性和高安全性，在-30UT（-22°F）容量仍可保持80%SpecificenergyPerformancepower5afety以上。在電池65Wh/kg時，比能量較低。鈦酸鋰單體電池充電截止電壓2.80V,放電截止電壓1.80V。圖9展示了鈦酸鋰電池的特性。SpecificenergyPerformancepower5afety圖9:鈦酸鋰蜘蛛圖分析鈦酸鋰最主要的優(yōu)勢在于安全、環(huán)保和長壽命，同時又較好的高低溫性能和核電保護能力。廣泛應用于電動交通工具和儲能領域。圖10通過以上詳細的分析，不難理解，雖