6种可供选择的锂离子电池化学类型
6种可供选择的锂离子电池化学类型
自20世纪70年代电池发明和商业化以来，锂离子电池已经从为小型电子设备供电发展到为重达100吨的卡车供电，使市场成熟并变得重要。世界各国政府的政策和业务正在推动其发展，制造锂离子电池不仅比使用不可再生能源的发电机产生更少的排放，而且具有更低的成本和更多的能源选择。经过几十年的考验，出现了各种电化学构型，各具特色和属性优势，适用于不同行业的产品。
在讨论太阳能电池板系统时，市场上的电池主要类型是铅酸电池和锂离子电池。前者价格相对较低，但体积较大，预期使用寿命一般在2到5年。虽然锂离子电池比铅酸电池贵，但它们的性能更稳定，预期寿命更长（10到12年），使它们逐渐成为市场上最受欢迎的材料。此外，还有其他化学类型的电池在效率和成本方面占据中间位置，并且由于视角和应用需求的不同，也都有各自的市场。例如，镍镉电池可以在低温下储存能量，但它们的密度很低，所以它们不能储存大量的能量。与上述电池相比，镍氢电池相比前几年具有更高的存储容量和更低的维护成本，也将受到市场的青睐。
锂能源是一个活跃且热门的研究领域，目前最流行的电池化学品包括：
- 锂镍锰钴（LiNixMnyCozO2或NMC）
- 镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或NCA）
- 磷酸铁锂（LFP或磷酸铁锂）
- 钴酸锂（钴酸锂或LCO）
- 锰酸锂（锰酸锂或LMO）
- 钛酸锂（钛酸锂或LTO）
虽然这些都是锂电池，但它们之间有不同的区别。
2.1 钴酸锂（LiCoO2或LCO）
- 高比能（能量密度）
- 比功率有限
- 安全性低
- 使用寿命短
钴酸锂电池，也称为锂钴氧化物或锂离子钴电池，自从1991年商业化以来，钴酸锂可形成高比能量电池化学成分，以石墨碳为阳极，氧化钴为阴极，以及促进离子运动的层状结构。标称电压为3.7V，能量密度为150至180瓦时/公斤。
这种高比能量但低比功率的性能意味着它可以长时间输送给低功率负载，所以LCO电池常用于智能手机、平板电脑和笔记本电脑。然而，此类化学电池的安全评分较低，尤其是在热稳定性方面，因为高强度会导致电池过热并增加热失控的风险。所以，再加上其使用寿命和充电周期较短，随着各行业投资其他更具成本效益的电池技术，LCO电池不再是最受欢迎的选择。
同时，钴矿开采涉及侵犯人权是有特殊原因的。刚果民主共和国供应近70%的世界钴原材料。然而，没有关于手工的劳动法或安全法规（小规模）非洲第二大国钴矿项目内的采矿作业。高风险的手工采矿，采矿过程中雇用童工，恶劣的工作条件为钴矿开采行业赢得了“血电池”的称号。无钴锂离子电池可以帮助我们利用对人类有益的电池材料。
2.2 锰酸锂（LiMn2O4或LMO）
- 增强安全性
- 高热稳定性
- 有限的循环寿命
- 中等比能量
- 功率比适中
LMO电池通常称为锂锰氧化物、锂离子锰和锰尖晶石，并从此为人所知1996年。其结构形成三维尖晶石结构或锰酸锂正极晶体骨架。尖晶石结构可以改善电流运动和离子流轨迹，降低内阻，并提高安全性和稳定性。
LMO设计最大限度地提高了电池的寿命、安全性和特定功率。由于混合动力电池的化学成分可以延长电池寿命并提高电池比能量，宝马i3和日产Leaf等许多电动汽车都选择了LMO-NMC组合。LMO组件在加速期间提供高电流，而NMC则增加了行驶里程。
2.3 磷酸铁锂（LFP或磷酸铁锂）
- 安全性高
- 高比功率
- 循环寿命长
- 比能量低
磷酸铁锂是一种LiFePO4或磷酸铁锂电池，磷酸盐作为正极材料的发现推动了可充电锂电池的发展。经过几十年的发展和应用，它现在已经成为一种流行的材料。
磷酸铁锂电池主要用于储能等安全性要求较高的应用、大功率和长寿命。LiFePO4电池的标称电压较低，导致比钴锂离子电池的比能量较低。虽然这种电池化学成分的能量密度略低（3.2V/细胞），但它的使用寿命很长，成本更低，并且更安全。甚至可以承受非常大的温差，使其在高负载、恶劣环境的行业中广受欢迎。具有良好的电化学性能，对电池的过充耐受能力更强，在高耐用性固定场所使用的设备中也很受欢迎。
电池化学技术的进步，使得传统电池被替代是必然的一步。例如，磷酸锂电池可替代铅酸启动电池——磷酸锂电池在四节电池串联时工作良好，产生的电压等于六个串联铅酸电池产生的电压。这也体现了LiFePO4电池的优异性能和经济可行性。
2.4 锂镍锰钴（LiNixMnyCozO2或NMC）
- 高比功率
- 高比能
- 安全性高
- 中等成本
- 整体表现良好
锂镍锰钴是电池市场其他材料中的主导化学材料之一。电池，也称为NMC、NCM等，可用作能源电池或动力电池。
NMC电池是最成功的镍锰钴锂离子正极组合电池产品之一。在降低生产成本的基础上，还可以提供高比能量且安全性好。关于2000充电次数证明它还具有出色的使用寿命。标称电压3.6V，能量密度150-220Wh/kg，使其成为电动汽车行业的优质选择。结合镍的优点（高比能）和锰（形成尖晶石结构以实现低内阻），三元电池广泛应用于电动自行车等行业、电动汽车和医疗设备。
NMC还具有六种配置中最低的自发热率，以及它的轻量化、小尺寸、强大的储能能力使其成为制造商的理想选择之一。NMC的化学成分可以配置为含有不同的量。NMC公式通常包括33%镍、33%锰和33%钴。钴变得越来越昂贵且难以维持采购，全球都在努力减少钴的使用。所以独特的组合1-1-1由于钴含量低且原材料成本较低，使得三元电池成为不错的选择。所以，在依赖频繁循环进行广泛应用的行业中，它是一种流行的选择，例如汽车电池和储能系统的大规模生产（ESS）。
市场应用中其他成功的组合结构有NMC811和NMC622，并且NMC系列也在不断成长，以适应市场上NMC混合锂离子的电化学系统。
2.5 镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或NCA）
- 高比能
- 使用寿命长
- 卓越的动力和性能
- 成本和安全性与其他相比相对较差
镍钴铝酸锂（NCA）NMC电池与NMC电池的相似之处在于它们具有高比能量和良好的比功率数据。在一项比较铅基比能的研究中，镍基和锂基系统，结果发现，锂铝（NCA）具有最高的比能量，NCA具有超过2000充电周期。200-260Wh/kg的能量密度和3.6V的标称电压使NCA成为电力系统的理想选择，虽然这种化学成分需要更多地关注安全问题并且成本高昂。
因为NCA电池通过添加铝实现了更高的稳定性，但在电池化学材料方面，镍含量越高，比能量越高，且电池稳定性越差。所以，NCA电池需采取更多安全措施确保电池质量和用户安全。NCA可以长时间提供相对较大的电流并保持较高的充电速率以实现快速充电。配置的电池可用于高性能电动汽车或重型越野电动汽车（OHEV），使NCA成为电动汽车动力系统的候选材料。
2.6 钛酸锂（Li2TiO3或LTO）
- 安全性极佳
- 快速充电
- 使用寿命长
- 比能量低
自进入市场以来2008年，钛酸锂电池已成为最安全、性能优异的锂离子电池之一，例如高温下的热稳定性和高放电电流（10倍额定容量）。充电周期约为15000次，并且使用寿命比磷酸铁锂更长。
在钛酸锂电池中，钛酸锂替代阳极中的石墨，而锰酸锂或NMC作为正极材料。与传统钴混合锂离子电池相比，钛酸锂电池具有零应变特性，并且不会形成SEI（固体电解质界面）低温充电和快速充电时的薄膜或锂涂层，确保其反应效率。钛酸锂在较宽的温度范围内具有良好的比功率和性能，但与其他类型的数据相比，它的两个主要缺点是生产成本和较低的比功率。LTO已应用于航空航天和军事装备，以及太阳能应用，这种电池化学仍有进一步发展的空间。
正如约翰·B.古迪纳夫曾经说过，“科学是一种国际语言。”正是这种语言将持续推动创新，技术创新带动了全球锂离子电池市场的不断发展和活力。电池厂商不断投入锂离子电池的研发，释放新型锂离子电池的潜力。这里仅列出六种流行的锂离子电池化学类型，相信您看完后会有更深刻的理解。
LCO电池是便携式电子设备中最常用的电池。LMO电池比LCO电池提供更高的电流，由于与其他钴基电池相比成本较低，NMC已成为许多应用的主要阴极化学品。钛酸锂电池充电速度更快，而磷酸铁锂电池即使充满电也非常稳定和安全。NCA在高负载应用中表现良好，电池寿命长，使其成为电动汽车制造商的理想选择。
可以说，他们各有千秋，特色鲜明，并且它们的应用场景也不同。锂离子电池是当前市场上广泛使用的充电电池之一，目前在二次电池市场中占据主导地位。
并且电池市场还有更大更广阔的发展空间，如钠离子电池的研发，是我国化工领域十大新兴技术之一2022年。中国南京工业大学夏辉教授，与国内外团队合作，锰基正极材料研究取得重大进展，这也是小编看好的未来电池市场。正如人类历史不断被创造一样，技术创新也在不断更新，我们可以继续共同关注电池的发展。