从远古时代起，电池就被用于储存能量，从可追溯到公元前 250 年的巴格达电池到氢燃料电池等新技术，它只是将水作为副产品，电池已经走过了漫长的道路。一组电池连接在一起时称为电池。

电池被吹捧为电动汽车储能的未来。即使是 1842 年制造的第一辆汽车也是由电池驱动的，这比内燃机汽车发明早了近 20 年，但由于续航里程不足和充电速度慢，导致了 20 世纪电动汽车的衰落。气候变化引起的日益严重的环境问题迫使我们转向可再生能源并采用电池储能系统，电池技术的研发也开始了。

在像印度这样的国家，超过四分之一的污染是由汽车造成的。迄今为止，由于里程焦虑、价格、缺乏基础设施和缺乏选择，电动汽车 (EV)的采用未能起飞。近年来锂离子电池的研发 为全球电动汽车的发展铺平了道路。我们之前已经讨论了电动汽车电池的基本知识。在本文中，我们将了解不同的锂离子化学成分、它们的优缺点，并将它们与其他少数可充电电池进行比较。

一次电池和二次电池

原电池是一次性的、不可充电的电池，我们在电视遥控器、挂钟等中使用的电池。这些电池便宜得多，同时具有高能量密度，这意味着它们更小、重量更轻且成本更高-有效的。这使它们成为需要较少能量的应用的理想选择，因为它有助于降低成本以及最终产品的重量。

二次电池是可以多次重复使用的能量存储设备。它们可以进行可逆的细胞反应，使它们能够充电，只需反转电流的方向。尽管比原电池更昂贵，但它们可以多次使用，因此使其成为需要不断补充能量的储能应用的更好选择，例如手机、智能手表、电动汽车或大型电池能量家庭或discoms等的存储系统

市场上有很多不同类型的二次电池，有锂离子电池、镍电池、铅酸电池、氢燃料电池等多种变体，所有这些电池都有其优点和缺点。在本文中，我们将仅关注锂离子电池的不同化学成分。

锂离子电池

锂离子电池是可充电电池，它们使用锂作为构成电池的关键部件之一。锂离子电池的开发始于 70 年代初，它们的进步和推动储能系统的潜力使电动汽车的采用成为现实，这使得其发明者在 2019 年获得了诺贝尔化学奖。这些是常用的可充电电池从便携式电子产品到像 Discoms 这样大的东西，用于存储可再生能源产生的能量。在锂离子电池方面正在进行大量研究，这将导致电池容量在未来的未来急剧增加。在过去的 3 年中，电池的成本下降了 97%，自上个十年以来，下降了 88%。

锂离子电池组件

与任何其他电池一样，锂离子电池也由不同的组件组成。这些内部组件有助于塑造锂离子电池的特性和其他特性。锂离子电池有 4 个主要部件，即阴极、阳极、电解质和隔膜。下图显示了锂离子电池的不同组件。

阴极：

正极使用的材料决定了锂离子电池的容量和电压。这种材料称为活性材料。活性材料在电池中引起电流流动的化学反应中起著至关重要的作用。电池的容量取决于阴极活性材料的大小，即为了提高电池容量，我们需要更大的阴极。同时，阴极的电压取决于用作阴极的元素。

电池的命名通常取决于阴极，例如锂离子电池的阴极由锂组成。但由于锂具有高反应性且不稳定，难以直接容纳和使用，因此将锂和氧的组合用作阴极。

阳极：

与阴极类似，阳极是另一个电极，也涂有活性材料。它是负极，它的性质决定了电池的充放电速率。我们试图最大化阳极的表面积，这会影响电流通过外部电路的流动速率，从而提高从阴极释放的锂离子的吸收或发射速率。阳极在电池充电循环期间储存锂离子。下图显示了电池的放电和充电状态，显示了此过程中电子和离子的流动。

锂离子电池中最常用的阳极是石墨和氧化物尖晶石 Li4Ti5O12。石墨烯正在研究中，被认为是一种更好的替代品，可以提高电池的功率密度以及充电和放电速率。

电解质：

电解质溶液是电中性溶液，两个电极都浸没在电解质溶液中。虽然溶液是中性的，但当施加电势时，离子开始流向电极。在充电循环中，锂离子从阴极移动到阳极，而在放电循环中则相反。电解质在离子运动中起主要作用，从而使电流流动成为可能。阴离子和阳离子在电解质中沿相反方向的运动导致电流流动。

对于锂离子电池，电解质需要是锂盐，因此锂离子电池中最常用的电解质是溶解在有机溶剂中的 LiPF6。

分隔器：

隔膜在电池的功能中起着重要作用。电解质充当电极之间的介质，而隔膜放置在电极之间以将它们彼此隔离，从而没有电子流过它们，同时允许离子在它们之间流动。隔膜在被电解质覆蓋时形成催化剂，从而促进离子在阳极和阴极之间的移动，同时阻止电子。当施加过热时，隔膜的孔隙会因熔化过程而堵塞，该特性可用作安全特性，使隔膜充当保险丝，在过热时停止电流流动，从而保护电池免受火灾.

大多数手机和平板电脑电池需要保持重量轻且使用不坚固，只有一个聚乙烯隔板，而较大的工业电池则使用三层隔板，起到保险丝的作用，在极端温度和多用途环境下保护火灾。单元格配置。

锂离子电池的类型

锂离子电池可以根据使用的阳极和阴极的组合进行分类。市场上有六类锂离子电池，分别是钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、镍锰钴酸锂（NMO）、磷酸铁锂（LFP）、镍钴锂氧化铝 (NCA) 和钛酸锂 (LTO)。除 LTO 电池外，所有其他锂离子电池均以石墨为阳极。上述所有锂离子化学物质都有不同的特性，我们需要了解它们的特性、工作条件和其他参数，以便为我们的应用选择最佳电池。下面给出了所有化学物质的性质。

1. 钴酸锂 (LCO)：能量密度高但热稳定性低

钴酸锂电池正极以钴为主要活性物质。它于1991年发明，因其150-200 Wh/kg的高能量密度而被广泛使用。虽然这种电池化学能量密集，但由于专家声称世界可能很快面临钴供​​应短缺，因此正在研究其他选择。这是由于广泛使用这种电池化学成分的电动汽车销量激增，导致成本随着时间的推移而增加。

钴是一种高度挥发性的金属，由于过热的风险，它限制了 LCO 电池的电流处理能力。此外，LCO 电池的热稳定性较低，这使得它们对较高的工作温度和过度充电很敏感。

LCO电池广泛用于手机、相机、笔记本电脑等便携式电子产品，在电动汽车中的需求量很大。

2. 锂锰氧化物 (LMO)：最安全的锂离子化学

锂锰氧化物电池也称为锂离子锰电池。它以 LiMn2O4 作为阴极。最早采用这种化学成分的商业开发电池是在 1996 年生产的。这些电池具有低内阻和高温稳定性，这使其比其他锂离子电池类型更安全。由于低内阻，LMO 电池能够提供高达 20-30 安培的电流，因此可以实现快速充电和放电。

这种化学物质的主要缺点是其循环寿命相对较低，为 300-700 次循环。这些电池的容量也较低。由于这些缺点，预计未来这种电池类型的研究和进步会受到限制。

LMO 电池广泛用于需要高 C 率的应用，例如电动工具。它在电动汽车和医疗应用中也有应用。

3. 磷酸铁锂 (LFP)：经济、安全、可靠

磷酸铁锂电池在正极中使用磷酸盐作为活性材料。这些电池是电动摩托车、e-rikshaw 以及其他需要较长生命周期和显著安全性的应用中最常用的化学物质之一。这些电池具有 90-160 Wh/kg 的中等高能量密度。与 LMO 类似，LFP 化学具有低内阻，从而导致更高的热稳定性。与 LCO 电池不同，这些电池经久耐用，使用寿命长，自放电率低。LFP 电池具有最佳的生命周期之一，考虑到其较长的使用寿命，使其成为极具成本效益的选择。但是，磷酸锂电池标称电压为3.2V，这意味着它比其他类型的锂电池具有更少的能量。

LFP电池由于其高热稳定性和长生命周期而用于工业设备和重型机械。它们被广泛用于电动汽车，尤其是电动自行车、电动力车和许多汽车，因为它们能够承受大量的机械和热滥用。

4.锂镍锰钴氧化物（NMC）：昂贵但高性能的电池

锂镍锰钴氧化物 (NMC) 电池使用镍、锰和钴的组合作为其阴极的活性材料。最常用的比例是 60% 的镍与 20% 的锰和钴混合以形成合金。改变这些金属的比例可以改变特性，我们可以获得高比能量密度或高比功率。这些电池比其他锂离子电池便宜，自热率非常低，标称电压为 3.7V。NMC 电池的能量密度为 150-220 Wh/kg，高于大多数其他化学物质。

这种电池通常用于为医疗设备、电动工具供电，并被认为是电动汽车的首选电池化学成分之一。

5. 锂镍钴铝氧化物（LINICOALO2）NCA：高能长寿命

锂镍钴电池，也称为 NCA 电池，在其阴极中混合了镍、钴和铝作为活性材料。这些电池具有较长的生命周期，是能量密度最高的锂离子化学电池之一，能量密度高达 260Wh/kg，标称电压为 3.6V。但这种电池的主要缺点是其较低的热稳定性和高成本使其成为消费电子产品的不可行选择。由于它们的能量密度，它们是电动汽车的一个不错的选择，NCA 电池必须用于具有额外安全措施的汽车，以监控其性能和其他数据，以确保驾驶员安全。

NCA 电池在电动动力系统（例如特斯拉）中变得越来越重要，并且由于其寿命和能量密度而在电网存储中得到应用。

6.钛酸锂LTO：长寿命，采用先进纳米技术快速充电

钛酸锂，也称为钛酸锂，是新开发的锂离子化学材料之一。他们拥有先进的纳米技术，并用钛酸锂作为活性材料代替了阳极中使用的石墨。钛酸锂的大表面积允许更多的电子更快地进入和离开阳极，从而在不影响安全性的情况下实现非常高的充电和放电率。这种电池的主要缺点是标称电压低，能量密度低，分别为 2.4V 和 50-80Wh/kg。这种电池的特别之处在于它能够在短时间内提供超过 30 C 的放电率。先进纳米技术的使用使其成为当今最安全的化学物质之一。

目前，三菱、本田等很多电动车和自行车大厂都在使用钛酸锂电池，这种电池在公共交通电动公交车上的应用是有潜力的。

LTO 电池在航空航天、军事领域具有潜在的应用前景，可用于电池储能系统，用于存储风能和太阳能以及创建智能电网。它们维持高放电率的能力使它们成为电网应用频率控制设备的首选。

电池比较

电池可以在许多不同的参数上进行比较，例如标称电压、电池重量、比能量等。下面给出的图表比较了锂离子电池不同化学成分的数据。作为参考，我们还在下表中添加了镍氢、镍镉电池。

为了更好地表示上述数据，绘制了图表。第一张图表示不同电池化学成分的工作温度，而第二张图显示不同电池化学成分的自放电率。

从上图中可以清楚地看出，所有锂离子化学物质的工作范围都比镍基电池更宽。

从上图显示的自放电率可以清楚地看出，大多数锂离子电池的自放电率非常低。

不同锂离子化学成分的比较

锂离子电池的特性完全取决于电池的化学性质。所有的化学物质都有自己的优缺点，在为特定用途选择电池时需要考虑这些优缺点。下表比较了不同的锂离子化学成分。

下图比较了不同锂离子化学的标称电压。

从上图中，我们可以说 NMC、LCO 和 LMO 的标称电压高于其他化学品，而 LTO 的标称电压最低。如果我们比较表中的能量密度数据，我们会发现化学性质与 LTO 具有最低能量密度的趋势相同。

在循环寿命方面，LFP 和 LTO 的循环寿命最好，而 NCA 和 LTO 的循环寿命非常低，不适合 EV。

LFP、NMC 和 LTO 具有最佳的热失控特性，使其最适合在极端温度下运行。

在考虑成本时，LTO 在大多数参数上表现良好，但对于消费产品和日常便携式设备来说，成本是不合理的，而 NMC 和 LFP 提供了两全其美，它们具有竞争力的价格，同时提供了不错的性能，虽然 NCA比其他选项便宜，但其较差的热性能使其对电动汽车和其他高温和机械应力常见的操作很危险，因此必须考虑额外的成本来采用额外的安全功能以使其安全使用。

综上所述，可以说锂离子电池是储能的未来，电池的规格取决于内部成分，即电极、隔膜和电解质的材料。通过改变阴极，可以控制比能量、充电速率、循环寿命、标称电压等特性，但每种化学物质都有其优缺点，在为产品选择锂离子电池时需要考虑这些优缺点。

在循环寿命方面，LFP 和 LTO 的循环寿命最好，而 NCA 和 LTO 的循环寿命非常低，不适合 EV。LFP、NMC 和 LTO 具有最佳的热失控特性，使其最适合在极端温度下运行。在考虑成本时，LTO 在大多数参数上表现良好，但对于消费产品和日常便携式设备来说，成本是不合理的，而 NMC 和 LFP 提供了两全其美，它们具有竞争力的价格，同时提供了不错的性能，虽然 NCA比其他选项便宜，但其较差的热性能使其对电动汽车和其他高温和机械应力常见的操作很危险，因此必须考虑额外的成本来采用额外的安全功能以使其安全使用。

电池领域正在进行大量研究，据业内专家称，电池的能量密度将增加，而成本预计在未来会下降。