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當(dāng)前市場(chǎng)主流鋰離子電池優(yōu)劣勢(shì)分析

          —鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元素和鈦酸鋰

或許多數(shù)電池用戶會(huì)誤認(rèn)為市場(chǎng)只有一種鋰離子電池，但想想，就連蘋果樹(shù)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(shí)，市場(chǎng)不斷出現(xiàn)的創(chuàng)新型正極材料正逐步改進(jìn)和取代傳統(tǒng)碳負(fù)極（石墨）。

科學(xué)家更傾向于用化學(xué)名稱和慣用的材料名稱命名電池，除非你是一名化學(xué)家，否則這將是一項(xiàng)繁瑣的事。表1列出了幾種電池的全名、化學(xué)名稱、縮寫以及簡(jiǎn)寫（本文盡可能使用電池簡(jiǎn)寫論述），表中列出了目前市場(chǎng)上主體的鋰離子電池，對(duì)比講包括市場(chǎng)上受眾面相對(duì)少、高端的NCA和鈦酸鋰電池。 

為了更多地了解六種慣用鋰離子電池的獨(dú)特性和局限性，我們使用蜘蛛圖解析并觀察整體性能。首先我們分析鈷酸鋰-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(yīng)用在電動(dòng)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。

鈷酸鋰(LiCoO₂)

高能量比特性使得鈷酸鋰成為應(yīng)用于手機(jī)、手提電腦和相機(jī)鋰電池普遍選擇。鈷酸鋰鋰電池是由鈷氧化物正極材料和碳負(fù)極材料組成，碳負(fù)極具有層狀結(jié)構(gòu)，在放電過(guò)程中鋰離子從正極移動(dòng)到負(fù)極，而充電時(shí)鋰離子運(yùn)動(dòng)方向正好相反。鈷酸鋰的缺點(diǎn)在于循環(huán)壽命相對(duì)較短且功率比低、負(fù)載能力有限。圖2給出了層狀結(jié)構(gòu)圖。

鈷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(jìn)行充放電。如果超過(guò)24010mAh進(jìn)行快充或加大負(fù)載情況會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱和過(guò)壓。談及最佳快充定義時(shí)，廠家給出了0.8C倍率充電或者電流在1920mAh.電路保護(hù)系統(tǒng)把充放電倍率強(qiáng)制控制在1C的安全水平。

圖3 總結(jié)了鈷酸鋰在能量比（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(diǎn)主要方面的性能。這幅蜘蛛圖簡(jiǎn)單清晰地分析了電池各性能的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢(shì)。

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(yùn)作。該體系形成一個(gè)三維的尖晶石結(jié)構(gòu)，提高了在電極上的離子流，從而降低了內(nèi)部電阻同時(shí)提高了電流保持性能。尖晶石型結(jié)構(gòu)更大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(guān)鍵點(diǎn)。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(shí)一道兩次的負(fù)載脈沖，長(zhǎng)時(shí)間在這一大電流過(guò)載負(fù)荷下會(huì)導(dǎo)致電芯過(guò)熱，電池的工作溫度需控制在80℃內(nèi)。錳酸鋰通常應(yīng)用于電動(dòng)工具、醫(yī)療器械、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車領(lǐng)域。

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(gòu)形成了一個(gè)類似棱形的分析圖。

雖然錳酸鋰在容量上只有鈷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(shè)計(jì)最大化地延長(zhǎng)了電池的循環(huán)壽命、負(fù)載電流（功率比）和容量比。例如，長(zhǎng)壽命的18650電芯通常為1100mAh,高容量的1500mAh的電芯會(huì)減少電池使用壽命。筆記本制造商可能會(huì)選擇高容量的，然而電動(dòng)汽車等電動(dòng)工具廠商更親睞高功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命的電池。

圖5顯示了一個(gè)典型的鋰錳電池的蜘蛛網(wǎng)。在此圖表中，所有的特點(diǎn)是微不足道的，然而，新的設(shè)計(jì)在特定的功率，安全性和壽命方面有所改善。
 

磷酸鐵鋰(LiFePO₄)

1996年，德克薩斯大學(xué)（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(xué)性能，電阻較低，這使得納米磷酸鐵鋰材料應(yīng)用成為可能。磷酸鐵鋰的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)，且喝點(diǎn)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(chǔ)性能上要優(yōu)于鉛酸、鎳鎘和鎳氫電池。同時(shí)，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。

三元材料(LiNiMnCoO₂)

領(lǐng)先的電池制造商專注于鎳- 錳- 鈷（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(shí)使用。例如，在18650單體電芯中，供消費(fèi)者使用的NMC可以調(diào)整至2250mAh，但功率比需適中。 在同一個(gè)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到4000mAh，但是，電池功率比和循環(huán)壽命可能會(huì)受到影響

三元材料的秘密在于相結(jié)合的鎳和錳，舉個(gè)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(hù)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(gòu)的好處，以實(shí)現(xiàn)非常低的內(nèi)部電阻，但提供了一個(gè)低的特定能量。三元素材料正是發(fā)揮了三種元素各自的優(yōu)勢(shì)。

三元材料在一定程度上市電動(dòng)工具盒電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的首選，三分之一的鎳、三分之一的鈷和三分之一的錳組合提供了一個(gè)獨(dú)特的融合，也降低了原材料成本，由于鈷的含量減少，適當(dāng)平衡的開(kāi)發(fā)制造商保持一個(gè)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。

聚合物鋰電(LiNiCoAlO₂)

聚合物鋰電一直是不常用的，但在高能量比和功率密度以及長(zhǎng)壽命新能的汽車行業(yè)消費(fèi)市場(chǎng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。圖8展示了進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)領(lǐng)域。

鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰電池已經(jīng)出現(xiàn)。尖晶石型結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料逐步替代了主流的碳負(fù)極材料，鈦酸鋰單體電池標(biāo)稱電壓為2.40V，可以進(jìn)行快充快放和10C電流大倍率放電或額定容量的10倍。兩萬(wàn)次以上的循環(huán)壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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-30℃下（-22°F）容量仍可保持80％以上。在電池65Wh/kg時(shí)，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。

圖10通過(guò)以上詳細(xì)的分析，不難理解，雖然鋰鈷在容量?jī)?chǔ)存方面要優(yōu)于其他材料，且在特殊的電源負(fù)載特性和熱穩(wěn)定性方面，均優(yōu)于錳酸鋰和磷酸鐵鋰，但應(yīng)用面不是很廣，僅針對(duì)特定的能源。隨著我們逐步邁向電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，電池安全性和循環(huán)壽命將變得更加重要。所以，未來(lái)的市場(chǎng)將是納米鈦酸鋰動(dòng)力鋰離子電池廣場(chǎng)應(yīng)用和發(fā)展的舞臺(tái)，鈦酸鋰長(zhǎng)循環(huán)壽命將是動(dòng)力和儲(chǔ)能鋰電池的最佳材料。