鋰離子電池分哪幾類？鋰離子電池的類型介紹
本文來(lái)源batteryuniversity，幫助你熟悉不同類型的鋰離子電池。
鋰離子電池以其活性材料而得名；單詞全部用化學(xué)符號(hào)縮寫。串在一起的一系列字母和數(shù)字可能很難記住，甚至更難以發(fā)音，并且電池化學(xué)成分也以縮寫字母標(biāo)識(shí)。
例如，最常見的鋰離子之一的鈷酸鋰鋰的化學(xué)符號(hào)為L(zhǎng)iCoO2和縮寫LCO。為簡(jiǎn)單起見，也可將短型鋰鈷電池用于此電池。鈷是賦予這種電池特性的主要活性材料。其他鋰離子化學(xué)名稱也有相似的簡(jiǎn)稱。本文列出了六種最常見的鋰離子電池類型。所有讀數(shù)均為撰寫本文時(shí)的平均估計(jì)值。
氧化鈷鋰（LiCoO2）—LCO
鈷酸鋰的高比能量使其成為手機(jī)，筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)的流行選擇。該電池由氧化鈷陰極和石墨碳陽(yáng)極組成。陰極具有層狀結(jié)構(gòu)，并且在放電期間，鋰離子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極。電荷反向流動(dòng)，鈷酸鋰的缺點(diǎn)是使用壽命相對(duì)較短，熱穩(wěn)定性低以及負(fù)載能力（比功率）有限。圖1說(shuō)明了該結(jié)構(gòu)。
圖1：鋰鈷結(jié)構(gòu)。 陰極具有層狀結(jié)構(gòu)。在放電過程中，鋰離子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極。電荷流從陰極到陽(yáng)極。 資料來(lái)源：Cadex
鈷酸鋰的缺點(diǎn)是使用壽命相對(duì)較短，熱穩(wěn)定性低以及負(fù)載能力（比功率）有限。像其他鈷混合鋰離子一樣，鋰鈷具有石墨陽(yáng)極，該陽(yáng)極通過改變固體電解質(zhì)界面（SEI），在陽(yáng)極上增稠和鍍鋰，同時(shí)在低溫下快速充電和充電來(lái)限制循環(huán)壽命。較新的系統(tǒng)包括鎳，錳和/或鋁，以提高使用壽命，裝載能力和成本。
鋰鈷不應(yīng)以高于其C額定值的電流進(jìn)行充電和放電。這意味著具有2400mAh的18650電池只能以2400mA進(jìn)行充電和放電。強(qiáng)制快速充電或施加高于2,400mA的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致過熱和過度應(yīng)力。為了獲得最佳的快速充電，制造商建議C速率為0.8C或2,000mA。（什么是電池C速率）。強(qiáng)制性電池保護(hù)電路將能量電池的充電和放電速率限制在大約1C的安全水平 。
六角形蜘蛛圖形（圖2）根據(jù)與運(yùn)行時(shí)間相關(guān)的比能量或容量總結(jié)了鋰鈷的性能。比功率或輸送大電流的能力；安全; 性能在高溫和低溫下；壽命反映了循環(huán)壽命和壽命；和費(fèi)用。蜘蛛網(wǎng)中未顯示的其他令人感興趣的特性是毒性，快速充電能力，自放電性和保質(zhì)期。
鋰鈷失去了鋰錳的支持，但尤其是NMC和NCA，因?yàn)殁挼母叱杀竞屯ㄟ^與其他活性陰極材料混合而提高了性能。
圖2：普通鋰鈷電池。 鋰鈷在高比能量方面表現(xiàn)出色，但僅提供中等性能的比功率，安全性和使用壽命。 資料來(lái)源：Cadex
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氧化鋰鈷： LiCoO2陰極（?60 ％Co），石墨陽(yáng)極 簡(jiǎn)寫：LCO或鋰鈷。自1991年以來(lái) |
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| 電壓等級(jí) | 3.60V標(biāo)稱值; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell |
| 比能量（容量） | 比能量（容量） 150–200Wh / kg。特種電池可提供高達(dá)240Wh / kg的功率。 |
| 充電（C費(fèi)率） | 0.7–1C，充電至4.20V（大多數(shù)電池）；典型充電時(shí)間為3小時(shí)。充電電流超過1C會(huì)縮短電池壽命。 |
| 放電（C速率） | 1C; 截止電壓為2.50V。放電電流超過1C會(huì)縮短電池壽命。 |
| 循環(huán)壽命 | 500–1000，與放電深度，負(fù)載，溫度有關(guān) |
| 熱失控 | 150°C。充滿電會(huì)加劇熱失控 |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 手機(jī)，平板電腦，筆記本電腦，相機(jī) |
| 評(píng)論 | 比能量很高，比功率有限。鈷很貴。充當(dāng)能量電池。市場(chǎng)份額穩(wěn)定。 |
錳酸鋰（LiMn2O4）—LMO
含錳尖晶石的鋰離子電池于1983年首次發(fā)表在《材料研究通報(bào)》上。1996年，Moli Energy將鋰錳氧化物作為正極材料的鋰離子電池商業(yè)化。該結(jié)構(gòu)形成三維尖晶石結(jié)構(gòu)，可改善電極上的離子流動(dòng)，從而降低內(nèi)部電阻并改善電流處理。尖晶石的另一優(yōu)點(diǎn)是高熱穩(wěn)定性和增強(qiáng)的安全性，但是循環(huán)和壓延壽命受到限制。
低內(nèi)部電池電阻可實(shí)現(xiàn)快速充電和大電流放電。在18650封裝中，鋰錳可以在20-30A的電流下以適度的熱量積聚放電。也可以施加高達(dá)50A的一秒負(fù)載脈沖。在此電流下持續(xù)的高負(fù)載會(huì)導(dǎo)致熱量積聚，并且電池溫度不能超過80°C。鋰錳用于電動(dòng)工具，醫(yī)療儀器以及混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車。
圖4示出了在鋰錳電池的陰極上三維晶體骨架的形成。這種尖晶石結(jié)構(gòu)通常由連接成晶格的菱形組成，并在初始形成后出現(xiàn)。
圖4：鋰錳結(jié)構(gòu)。鋰錳氧化物的陰極晶體形成具有在初始形成后出現(xiàn)的三維骨架結(jié)構(gòu)。尖晶石具有較低的電阻，但比鈷具有適度的比能。 資料來(lái)源：Cadex
鋰錳的容量大約比鋰鈷低三分之一。設(shè)計(jì)的靈活性使工程師可以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，以獲得最佳壽命（最大壽命），最大負(fù)載電流（特定功率）或高容量（特定能量）。例如，18650電池中的長(zhǎng)壽命版本僅具有1,100mAh的中等容量；大容量版本為1,500mAh。
圖5顯示了典型鋰錳電池的星形網(wǎng)。這些特性似乎不大，但較新的設(shè)計(jì)在特定功率，安全性和使用壽命方面有所改進(jìn)。如今，純鋰錳電池已不再普遍。它們只能用于特殊應(yīng)用。
圖5：純鋰錳電池。 盡管總體性能適中，但較新的鋰錳設(shè)計(jì)在單位功率，安全性和使用壽命方面有所改進(jìn)。 資料來(lái)源：波士頓
大多數(shù)鋰錳電池都與鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）混合使用，以提高比能并延長(zhǎng)使用壽命。這種組合在每個(gè)系統(tǒng)中都發(fā)揮出了最好的性能，而LMO（NMC）被大多數(shù)電動(dòng)汽車所選擇，例如Nissan Leaf，Chevy Volt和BMW i3。電池的LMO部分約為30％，可在加速時(shí)提供高電流提升；NMC部件可以延長(zhǎng)行駛距離。
鋰離子研究在將鋰錳與鈷，鎳，錳和/或鋁作為活性陰極材料結(jié)合方面大有可為。在某些架構(gòu)中，少量硅被添加到陽(yáng)極。這樣可將容量提高25％；然而，隨著硅隨著充電和放電而生長(zhǎng)和收縮，導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，增益通常與較短的循環(huán)壽命有關(guān)。
可以方便地選擇這三種活性金屬以及硅增強(qiáng)劑，以提高比能量（容量），比功率（負(fù)載容量）或壽命。盡管消費(fèi)電池需要大容量，但工業(yè)應(yīng)用需要具有良好負(fù)載能力，使用壽命長(zhǎng)且提供安全可靠的電池系統(tǒng)。
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錳酸鋰： LiMn2O4陰極。石墨陽(yáng)極 簡(jiǎn)短形式：LMO或鋰錳（尖晶石結(jié)構(gòu)）自1996年以來(lái) |
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| 電壓等級(jí) | 標(biāo)稱值為3.70V（3.80V）; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell |
| 比能量（容量） | 100–150Wh / kg |
| 充電（C費(fèi)率） | 典型0.7–1C，最大3C，充電至4.20V（大多數(shù)電池） |
| 放電（C速率） | 1C; 某些電池可能達(dá)到10C，30C脈沖（5s），截止電壓為2.50V |
| 循環(huán)壽命 | 300–700（與放電深度，溫度有關(guān)） |
| 熱失控 | 通常為250°C。高電荷促進(jìn)熱失控 |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 電動(dòng)工具，醫(yī)療設(shè)備，電動(dòng)動(dòng)力總成 |
| 評(píng)論 | 大功率但容量較??；比鈷酸鋰更安全；通常與NMC混合使用以提高性能。 |
鋰鎳錳鈷酸鋰（LiNiMnCoO2）— NMC
最成功的鋰離子系統(tǒng)之一是鎳錳鈷（NMC）的陰極組合。類似于鋰錳，可以定制這些系統(tǒng)以用作能量電池或動(dòng)力電池。例如，用于中等負(fù)載條件的18650電池中的NMC的容量約為2,800mAh，可提供4A至5A的電流；針對(duì)特定功率進(jìn)行優(yōu)化的同一電池中的NMC容量?jī)H為2,000mAh，但可提供20A的連續(xù)放電電流。硅基陽(yáng)極將達(dá)到4,000mAh及更高，但負(fù)載能力降低且循環(huán)壽命縮短。添加到石墨中的硅的缺點(diǎn)是陽(yáng)極隨著充放電而增長(zhǎng)和收縮，從而使電池機(jī)械不穩(wěn)定。
NMC的秘密在于將鎳和錳結(jié)合在一起。與此類似的是食鹽，其中的主要成分鈉和氯化物本身具有毒性，但將它們混合可作為調(diào)味鹽和食品防腐劑。鎳以其高比能而聞名，但穩(wěn)定性差。錳具有形成尖晶石結(jié)構(gòu)以獲得低內(nèi)阻的優(yōu)點(diǎn)，但是提供了低比能。金屬的結(jié)合會(huì)彼此增強(qiáng)。
NMC是電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車和其他電動(dòng)動(dòng)力總成的首選電池。陰極組合通常是三分之一的鎳，三分之一的錳和三分之一的鈷，也稱為1-1-1。這提供了獨(dú)特的共混物，由于減少了鈷含量，還降低了原材料成本。另一個(gè)成功的組合是NCM，含5份鎳，3份鈷和2份錳（5-3-2）。使用各種數(shù)量的陰極材料的其他組合也是可能的。
由于鈷的高成本，電池制造商從鈷系統(tǒng)轉(zhuǎn)向了鎳陰極。鎳基系統(tǒng)比鈷基電池具有更高的能量密度，更低的成本和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，但它們的電壓略低。
新的電解質(zhì)和添加劑可以使電池充電至4.4V / cell或更高，以提高容量。圖7展示了NMC的特性。
圖7：NMC。 NMC具有良好的整體性能，并且在單位能量方面表現(xiàn)出色。該電池是電動(dòng)汽車的首選，并且具有最低的自熱率。 資料來(lái)源：波士頓
由于可以經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建該系統(tǒng)并獲得良好的性能，因此向NMC混合鋰離子電池邁進(jìn)了一步。鎳，錳和鈷這三種活性材料可以輕松混合，以適合需要頻繁循環(huán)的汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)（EES）的廣泛應(yīng)用。NMC系列的多樣性在不斷增長(zhǎng)。
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鋰鎳錳鈷氧化物： LiNiMnCoO2。陰極，石墨陽(yáng)極 簡(jiǎn)寫：NMC（NCM，CMN，CNM，MNC，MCN類似，但金屬組合不同）自2008年以來(lái) |
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| 電壓等級(jí) | 3.60V，3.70V標(biāo)稱值; 典型工作范圍為3.0–4.2V / cell或更高 |
| 比能量（容量） | 150–220Wh / kg |
| 充電（C費(fèi)率） | 0.7–1C，充電至4.20V，有些則達(dá)到4.30V；典型充電時(shí)間為3小時(shí)。充電電流超過1C會(huì)縮短電池壽命。 |
| 放電（C速率） | 1C; 在某些電池上可能達(dá)到2C；截止電壓為2.50V |
| 循環(huán)壽命 | 1000–2000（與放電深度，溫度有關(guān)） |
| 熱失控 | 通常為210°C。高電荷促進(jìn)熱失控 |
| 成本 | ?每千瓦時(shí)$ 420（資料來(lái)源：亞琛工業(yè)大學(xué)） |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 電動(dòng)自行車，醫(yī)療設(shè)備，電動(dòng)汽車，工業(yè) |
| 評(píng)論 | 提供高容量和高功率。充當(dāng)混合細(xì)胞。最喜歡的化學(xué)物質(zhì)有很多用途；市場(chǎng)份額正在增加。 |
磷酸鐵鋰（LiFePO4）— LFP
1996年，得克薩斯大學(xué)（和其他貢獻(xiàn)者）發(fā)現(xiàn)磷酸鹽作為可充電鋰電池的正極材料。磷酸鋰具有良好的電化學(xué)性能，且電阻低。納米級(jí)磷酸鹽陰極材料可以做到這一點(diǎn)。主要好處是額定電流高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，以及良好的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)的安全性和濫用（如果被濫用）。
如果長(zhǎng)時(shí)間保持高壓，磷酸鋰對(duì)全充電條件的耐受性更高，并且與其他鋰離子系統(tǒng)相比，壓力較小。作為權(quán)衡，它的較低標(biāo)稱電壓為3.2V / cell，可將比能降低到低于鈷共混鋰離子的比能。對(duì)于大多數(shù)電池，低溫會(huì)降低性能，升高的存儲(chǔ)溫度會(huì)縮短使用壽命，磷酸鋰也不例外。磷酸鋰電池比其他鋰離子電池具有更高的自放電能力，這可能導(dǎo)致老化問題?？梢酝ㄟ^購(gòu)買高質(zhì)量的電池和/或使用復(fù)雜的控制電子設(shè)備來(lái)減輕這種情況，這兩者都會(huì)增加電池組的成本。清潔生產(chǎn)對(duì)于延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。沒有耐濕性，以免電池只能循環(huán)50次。圖9總結(jié)了磷酸鋰的屬性。
磷酸鋰通常用于替代鉛酸啟動(dòng)電池。四個(gè)串聯(lián)的電池產(chǎn)生12.80V，與六個(gè)串聯(lián)的2V鉛酸電池的電壓相似。車輛將鉛酸充電至14.40V（2.40V /電池）并保持充電。施加打頂電荷以保持充滿電并防止鉛酸電池硫酸化。
對(duì)于四個(gè)串聯(lián)的磷酸鋰電池，每個(gè)電池的最高電壓為3.60V，這是正確的滿充電電壓。在這一點(diǎn)上，應(yīng)該斷開充電，但在行駛過程中繼續(xù)充電。磷酸鋰耐某些過充電；但是，如大多數(shù)車輛在長(zhǎng)途旅行中一樣，長(zhǎng)時(shí)間保持電壓在14.40V上，可能會(huì)給磷酸鋰施加壓力。時(shí)間將證明使用常規(guī)的汽車充電系統(tǒng)替代磷酸鋰的耐久性如何。低溫還會(huì)降低鋰離子電池的性能，這在極端情況下可能會(huì)影響起動(dòng)能力。
圖9：磷酸鋰電池。 磷酸鋰具有出色的安全性和較長(zhǎng)的使用壽命，但比能適中，自放電率較高。 資料來(lái)源：Cadex
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磷酸鐵鋰： LiFePO4陰極，石墨陽(yáng)極 簡(jiǎn)寫：LFP或磷酸鋰自1996年以來(lái) |
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| 電壓等級(jí) | 3.20、3.30V標(biāo)稱值; 典型工作范圍2.5–3.65V / cell |
| 比能量（容量） | 90–120Wh / kg |
| 充電（C費(fèi)率） | 典型值為1C，充電至3.65V；典型的3小時(shí)充電時(shí)間 |
| 放電（C速率） | 在某些電池上為1C，25C；40A脈沖（2s）; 截止電壓為2.50V（低于2V會(huì)造成損壞） |
| 循環(huán)壽命 | 2000及更高（與放電深度，溫度有關(guān)） |
| 熱失控 | 270°C（518°F）即使充滿電也非常安全的電池 |
| 成本 | ?每千瓦時(shí)$ 580（資料來(lái)源：亞琛工業(yè)大學(xué)） |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 便攜式和固定式需要高負(fù)載電流和耐久性 |
| 評(píng)論 |
電壓放電曲線非常平坦，但容量低。最安全的鋰離子電池之一。用于特殊市場(chǎng)。高自放電。 |
鋰鎳鈷鋁氧化物（LiNiCoAlO2）— NCA
自1999年以來(lái)，鋰鎳鈷鋁氧化物電池（NCA）就已經(jīng)用于特殊應(yīng)用。它具有較高的比能量，合理的良好比功率和較長(zhǎng)的使用壽命，與NMC具有相似之處。討人喜歡的是安全性和成本。圖11總結(jié)了六個(gè)關(guān)鍵特征。NCA是鋰鎳氧化物的進(jìn)一步發(fā)展。添加鋁可提高化學(xué)穩(wěn)定性。
圖11：NCA。 高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動(dòng)力總成的候選人。高成本和邊際安全是不利因素。 資料來(lái)源：Cadex
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鋰鎳鈷鋁氧化物： LiNiCoAlO2陰極（?9 ％Co），石墨陽(yáng)極 簡(jiǎn)寫：NCA或鋰鋁。自1999年以來(lái) |
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| 電壓等級(jí) | 3.60V標(biāo)稱值; 典型工作范圍3.0–4.2V / cell |
| 比能量（容量） | 200-260Wh / kg; 300Wh / kg可預(yù)測(cè) |
| 充電（C費(fèi)率） | 0.7C，充電至4.20V（大多數(shù)電池），典型值為3h，某些電池可能會(huì)快速充電 |
| 放電（C速率） | 典型值為1C；3.00V截止 高放電率會(huì)縮短電池壽命 |
| 循環(huán)壽命 | 500（與放電深度，溫度有關(guān)） |
| 熱失控 | 典型值為150°C，高電荷會(huì)促進(jìn)熱失控 |
| 成本 | ~每千瓦時(shí)$ 350（資料來(lái)源：亞琛工業(yè)大學(xué)） |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 工業(yè)醫(yī)療設(shè)備，電力傳動(dòng)系統(tǒng)（Tesla） |
| 評(píng)論 | 與鋰鈷具有相似之處。充當(dāng)能量電池。 |
鈦酸鋰（Li2TiO3）— LTO
自1980年代以來(lái)就已經(jīng)知道具有鈦酸鋰陽(yáng)極的電池。鈦酸鋰代替了典型鋰離子電池陽(yáng)極中的石墨，該材料形成尖晶石結(jié)構(gòu)。陰極可以是錳酸鋰或NMC。鈦酸鋰的標(biāo)稱電池電壓為2.40V，可以快速充電，并提供10C的高放電電流，即額定容量的10倍。周期數(shù)據(jù)稱比常規(guī)鋰離子電池高。鈦酸鋰是安全的，具有出色的低溫放電特性，在–30°C下的容量為80％。
LTO（通常為L(zhǎng)i4Ti5O12）具有零應(yīng)變性能，不形成SEI膜且在低溫下快速充電時(shí)不鍍鋰，優(yōu)于具有石墨陽(yáng)極的常規(guī)鈷混合鋰離子。高溫下的熱穩(wěn)定性也優(yōu)于其他鋰離子系統(tǒng)；但是，電池價(jià)格昂貴。僅65Wh / kg，比能量低，可與NiCd媲美。鈦酸鋰充電至2.80V / cell，放電結(jié)束時(shí)為1.80V / cell。圖13說(shuō)明了鈦酸鋰電池的特性。典型用途是電力傳動(dòng)系統(tǒng)，UPS和太陽(yáng)能路燈。
圖13：鈦酸鋰。 鈦酸鋰在安全性，低溫性能和使用壽命方面表現(xiàn)出色。人們正在努力改善比能并降低成本。 資料來(lái)源：波士頓
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鈦酸鋰： 陰極可以是錳酸鋰或NMC。Li 2 TiO 3 （鈦酸酯）陽(yáng)極 縮寫：LTO或鈦酸鋰，大約2008年可商購(gòu)。 |
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| 電壓等級(jí) | 2.40V標(biāo)稱值; 典型工作范圍為1.8–2.85V /電池 |
| 比能量（容量） | 50–80Wh / kg |
| 充電（C費(fèi)率） | 典型值為1C；最高5C，充電至2.85V |
| 放電（C速率） | 10C可能，30C 5s脈沖; LCO / LTO上的1.80V截止 |
| 循環(huán)壽命 | 3,000–7,000 |
| 熱失控 | 最安全的鋰離子電池之一 |
| 成本 | 每千瓦時(shí)~1,005美元（來(lái)源：亞琛工業(yè)研究中心） |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | UPS，電動(dòng)動(dòng)力總成（三菱i-MiEV，本田飛度EV），太陽(yáng)能路燈 |
| 評(píng)論 | 壽命長(zhǎng)，充電快，溫度范圍寬，但比能量低且價(jià)格昂貴。最安全的鋰離子電池中。 |
未來(lái)電池
固態(tài)鋰離子：高比能，但負(fù)載和安全性較差。
鋰硫：高比能，但循環(huán)壽命低，負(fù)荷低
鋰空氣：高比能，但負(fù)荷低，需要呼吸的清潔空氣，壽命短。
圖15比較了鉛，鎳和鋰基系統(tǒng)的比能。盡管鋰鋁（NCA）通過存儲(chǔ)比其他系統(tǒng)更多的容量而成為明顯的贏家，但這僅適用于特定的能源。就比功率和熱穩(wěn)定性而言，鋰錳（LMO）和磷酸鋰（LFP）優(yōu)越。鈦酸鋰（LTO）的容量可能較低，但這種化學(xué)成分在使用壽命方面比大多數(shù)其他電池都要長(zhǎng)，并且具有最佳的低溫性能。朝電動(dòng)動(dòng)力總成方向發(fā)展，安全性和循環(huán)壽命將占主導(dǎo)地位。（LCO代表原始鋰離子鋰鈷。）
圖15：鉛，鎳和鋰基電池的典型比能。 NCA具有最高的比能量；但是，錳和磷酸鹽在比功率和熱穩(wěn)定性方面是優(yōu)越的。鈦酸鋰的壽命最長(zhǎng)。 由Cadex提供
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