高功率锂离子电池

用于便携式应用的大多数锂离子电池都是钴基的。该系统由氧化钴正极（阴极）和负极（阳极）中的石墨碳组成。钴基电池的主要优点之一是高能量密度。长时间运行使这种化学成分对手机、本电脑和相机具有吸引力。

广泛使用的钴基锂离子具有缺点;它提供相对较低的放电电流。高负荷会使包装过热，其安全性将受到损害。钴基电池的安全电路通常限于约1C的充电和放电速率。这意味着2400mAh18650电池只能以2.4A的最大电流进行充电和放电。另一个缺点是循环和老化引起的内阻增加。使用2-3年后，由于高内阻引起的负载下的大电压降，电池组经常变得无法使用。

1996年，科学家成功地使用锂锰氧化物作为阴极材料。该物质形成三维尖晶石结构，改善电极之间的离子流动。高离子流降低了内阻并增加了负载能力。循环时电阻保持较低，但电池老化，整体使用寿命与钴相似。尖晶石具有固有的高热稳定性，并且比钴系统需要更少的安全电路。低内部电池电阻是高速率能力的关键。该特性有利于快速充电和高电流放电。18650电池中基于尖晶石的锂离子可在20-30A放电，积聚边缘热量。允许两倍于指定电流的短一秒负载脉冲。

尖晶石电池也有缺点。与钴基系统相比，最显着的缺点之一是容量较低。尖晶石在18650封装中提供大约1200mAh，约为钴当量的一半。尽管如此，尖晶石仍然提供比镍基等效物高约50％的能量密度。

锂离子电池的种类

锂离子电池尚未完全成熟，技术也在不断改进。今天的电池中的阳极由石墨混合物构成，阴极是锂和其他选择金属的组合。应注意，电池中的所有材料都具有理论能量密度。使用锂离子电池，阳极得到了很好的优化，在设计变化方面几乎没有什么改进。然而，阴极显示出进一步增强的希望。因此，电池研究主要集中在阴极材料上。另一个有潜力的部分是电解质。电解质用作阳极和阴极之间的反应介质。

电池行业每年的增量容量增长率为8-10％。预计这种趋势将持续下去。然而，这与摩尔定律相去甚远，摩尔定律规定每18至24个月芯片上的晶体管加倍。将这种增加转化为电池意味着每两年增加一倍的容量。锂离子电池在10年内的能源容量翻了一番，而不是两年。

今天的锂离子有许多"味道"，组成的差异主要与阴极材料有关。下表1总结了当今市场上最常用的锂离子电池。为简单起见，我们将化学分析为四组，即钴，锰，镍钴锰和磷酸盐。

化学名称材料缩写简写笔记

锂钴氧化物1还有锂钴或锂离子钴）LiCoO2

（60％Co）LCO锂钴

大容量;用于手机笔记本电脑，相机

锂

锰氧化物1

也是锰酸锂

或锂离子锰LiMn2O4LMO锂锰或尖晶石

最安全;比钴锂容量低，但比功率高，寿命长。

电动工具，

电动自行车，EV，医疗，业余爱好者。

磷酸铁锂1LiFePO4LFP磷酸锂

锂镍锰钴氧化物1，也是锂-锰-钴-氧化物LiNiMnCoO2

（10-20％Co）NMCNMC

锂镍钴铝氧化物1LiNiCoAlO2

9％Co）NCANCA

在电动动力总成和电网存储方面获得重要地位

钛酸锂2Li4Ti5O12LTO锂钛

表1：锂离子电池的参考名称。我们将在适当时使用简短形式。

1阴极材料

2阳极材料

1991年首次出现钴基锂离子，由索尼推出。由于其高能量密度，这种电池化学获得了快速的认可。可能由于较低的能量密度，基于尖晶石的锂离子起始较慢。在1996年推出时，世界要求更长的运行时间。由于许多便携式设备需要高电流速率，尖晶石现在已经转移到前线并且需求量很大。要求非常高，生产这些电池的制造商无法满足需求。这就是为什么这么少的广告宣传这个产品的原因之一。E-OneMoliEnergy（加拿大）是圆柱形尖晶石锂离子的领先制造商。他们专注于18650和26700格式。其他专注于锂离子尖晶石的主要参与者有三洋、松下和索尼。

索尼专注于镍钴锰（NCM）版本。阴极在晶体结构中包含钴，镍和锰，形成加入锂的多金属氧化物材料。制造商在该电池系列中提供一系列不同的产品，满足需要高能量密度或高负载能力的用户。应该注意的是，这两个属性不能组合在一个相同的包中;两者之间有牵制。请注意，NCM充电至4.10V/电池，比钴和尖晶石低100mV。将该电池化学成分充电至4.20V，电池将提供更高的容量，但循环寿命将缩短。循环计数将减少至约300，除非在实验室环境中才能实现800循环。

锂离子系列的最新成员是A123系统，其中阴极中添加了纳米磷酸盐材料。它声称具有最高功率密度W/kg的市售锂离子电池。电池可在35℃下连续放电至100％放电深度，并可承受高达100℃的放电脉冲。基于磷酸盐的系统具有约3.3V/电池的标称电压，并且峰值充电电压为3.60V。这低于钴基锂离子，电池需要指定的充电器。ValanceTechnology是第一家将磷酸盐锂离子商业化的公司，他们的产品以Saphion?名称出售。

比较了三种锂离子化学物质的能量密度（Wh/kg），并将它们与传统的铅酸，镍镉，镍-金属氢化物相比较。人们可以看到锰和磷酸盐相对于旧技术的逐步改进。钴具有最高的能量密度，但热稳定性较差，无法提供高负载电流。

能量密度和功率密度的定义

能量密度（Wh/kg）是电池能够容纳多少能量的量度。能量密度越高，运行时间越长。具有钴阴极的锂离子提供最高的能量密度。典型应用包括手机、笔记本电脑和数码相机。

功率密度（W/kg）表示电池可按需提供多少功率。重点是电力爆发，例如通过重型钢钻孔而不是运行时间。基于锰和磷酸盐的锂离子以及镍基化学品是表现最好的。具有高功率密度的电池用于电动工具，医疗设备和运输系统。

能量和功率密度之间的类比可以用水瓶进行。瓶子的大小是能量密度，而开口是功率密度。一个大瓶子可以携带大量的水，而一个大的开口可以很快地堵塞它。宽口大容器是最好的组合。

与电压混淆

在过去10年左右，已知锂离子的标称电压为3.60V/电池。这是一个相当方便的数字，因为它弥补了三个串联的镍基电池（1.2V/电池）。使用较高的锂离子电池电压反映了纸上更好的瓦特/小时读数并且具有市场优势，然而，设备制造商将继续假设电池为3.60V。

锂离子电池的标称电压通过采用约4.20V的完全充电电池计算，在0.5C的速率下将其完全放电至约3.00V，同时测量平均电压。

由于内阻较低，尖晶石系统的平均电压将高于钴基等效电阻。纯尖晶石具有最低的内阻，标称电池电压为3.80V。例外的是基于磷酸盐的锂离子。该系统偏离了传统的锂离子系统

适度延长电池寿命

如果以温和的方式处理，电池寿命更长。高充电电压，过高的充电速率和极端负载条件会对电池寿命产生负面影响。寿命通常是施加环境压力的直接结果。以下指南建议了延长电池寿命的方法。

-电池保持在4.20/电池的时间应尽可能短。长时间的高压会促进腐蚀，特别是在高温下。尖晶石对高压不太敏感。

-3.92V/电池是钴基锂离子的最佳上限电压阈值。将电池充电至此电压水平已显示出使循环寿命延长。用于特种应用的锂离子系统利用较低的电压阈值。负面的是容量低得多。

-锂离子的充电电流应适中（钴基锂离子为0.5C）。较低的充电电流减少了电池在4.20V的时间。0.5C充电仅略微增加1C以上的充电时间，因为顶部充电将更短。高电流充电往往会过早地将电压推入电压限制。

-不要过度放电锂离子。相反，经常充电。锂离子电池没有像镍镉电池那样的记忆问题。调理不需要深度放电。

-不要在冰点或低于冰点温度下充电锂离子。虽然接受充电，但会发生不可逆的金属锂电镀，这会损害电池组的安全性。

锂离子电池不仅充电速度更慢，而且寿命更长;适度的出院率也有帮助。

电池专家一致认为，锂离子的寿命会因充电和放电率等其他因素而缩短。尽管通过谨慎使用可以实现渐进式改进，但我们的环境和所需的服务并不总是有助于实现最佳电池寿命。在这方面，电池的行为与我们人类非常相似-我们不能总是过着能够达到最大寿命地生活。