锂离子电池是为从消费电子产品到电动汽车等各种产品提供电力的基础构件。锂离子电池往往不是独立的部件。它们以串联和并联的方式连接在一起，形成一个称为电池组的最终组件。但对于每个电池组来说，所选择的电芯是来决定整个电池的寿命和性能的。电池的性能特点决定了最终电池组的尺寸、重量、电压、电流、功率和环境能力。
锂离子电池有三种基本形状：圆柱形、棱柱形（或砖形）和锂聚合物电池的扁平矩形。金属包覆圆柱形电池的标准格式是18650（直径18毫米×高65毫米）、21700（21×70毫米）或26650（26×65毫米）。在圆柱形和棱柱形电池内，电池材料层像果冻卷一样卷在里面。锂离子圆柱形和棱柱形电池被包装在金属罐中。
棱柱形或砖头形电池通常具有成本效益，并有无数种尺寸可供选择。棱柱形电池的主要特征之一是金属罐顶部带有终端的压力通风口。棱柱形电池的正负极是突出于电池的凸台。在空间受限的多节电池组中，建议使用棱柱形电池，因为其矩形的形状使电池之间的空气间隙最小。
锂聚合物电池，有时也被称为层压电池，可按客户要求定制。根据所需格式，它们可以很薄或很笨重。锂聚合物电池的主要优势是有广泛的外形尺寸可供选择。这些类型的电池被封装在不灵活的铝箔层压袋中，厚度仅为0.1毫米，而用于封装圆柱形或棱柱形电池的铝罐或钢罐的厚度为0.25至0.40毫米。与圆柱形电池不同的是，锂聚合物电池类别中没有太多标准尺寸。这就导致了一系列电池产品的出现。
锂聚合物电池是智能手机和其他便携式设备主要制造商的首选，因为它们提供更灵活的尺寸。在过去的十年中，许多个人电脑已经从圆柱形电池转向锂聚合物电池，为更薄、更轻的笔记本电脑和平板电脑打开了大门。
电池化学趋势
对于锂离子电池来说，其基础化学成分决定了电池的性能特点。在过去的十年里，已经有很多电池化学成分被引入，并且每一种化学成分都出现了明显的趋势。最常见的电池化学成分是氧化钴锂(LCO)、氧化镍钴铝锂(NCA)、氧化镍锰钴锂(NMC)和磷酸铁锂(LFP)。
十年前，LCO是圆柱形和棱柱形电池最常见的化学成分。然而，NMC以所有电池化学材料中最好的性能特点一跃而起。它也更经济，因为它使用较少的钴，而钴的供应量有限且价格昂贵。
镍和锰相互增强了对方的特性，基本配方的变化导致了更先进、更高功率的电池。行业分析师估计，到2025年，NMC将占到市场上所有锂离子电池电芯的20%。此外，NMC是电动汽车（EV）制造商的首选。领先的NMC电池制造商包括比亚迪、LG、村田、松下/三洋和三星。
LFP化学也具有良好的电化学性能和低阻抗，因为它使用磷酸盐材料作为阴极。主要优势是高电流输送和优异的循环寿命，良好的热稳定性，以及对恶劣条件的优越安全性。这类电池的阴极材料比NMC电池有本质上的安全性，在较高温度下不会分解。锂离子电池往往含有高度易燃物质，如果损坏或过度充电，它们可能会在热失控中不受控制地过热。过热可能导致冒烟、起火，甚至爆炸。
LFP电池具有最佳的热稳定性和化学稳定性。此外，由于LFP比LCO、NCA、NMC或LFP电池具有更低的能量密度(体积和重量)和更高的每瓦时成本，因此它是需要高额定功率、长循环寿命或升高工作温度的应用的理想选择。传统上，LCO/NCA/NMC和LFP在其具体应用中几乎没有重叠。领先的LFP电池制造商包括BAK、比亚迪、CALB和CATL。
由于额定功率的增加、高能量密度和较低的每瓦时成本，NMC电池单元在某些应用中正在取代LFP电池。它们也开始在大功率系统中取代LFP电池，如电动工具、材料处理设备的电池和电动巴士的动力系统。
对于每种电池化学成分，随着电池制造商将其产品推向高能量或高功率市场，每个类别中都存在细分。我们开始看到高功率NMC和高能量LFP电池之间有更多的重叠。在许多情况下，对于特定的性能要求，不再有明显的优越电池化学成分。
绿立方科技为许多工业应用生产电池组，该公司一般使用NMC或LFP电池。NMC和LFP之间的性能差距正在缩小。
电池格式趋势
来回顾一下。装在金属外壳中的锂离子电池有两种形状--圆柱形和棱柱形。
圆柱形电池有很多格式，但传统上，LCO、NCA和NMC电池单元最受欢迎的格式是18650。而当松下与特斯拉合作开发新的电动汽车电池时，他们开发了独特的21700电池格式。
将18650电池尺寸扩大了几毫米（图1），使电池活性材料的体积增加了50%。目前，大多数领先的NMC电池制造商都支持这种电池尺寸。因此，18650和21700是两种最常见的NMC化学格式。如果您选择18650或21700电池来构建NMC电池组，鉴于标准化，找到性能相似的替代电池是有保障的。
1.图示比较了18650和21700电池片的尺寸。
根据行业分析师的数据，2020年基于21700格式的电池出货量超过20亿片，比上一年增加了25%。其他估计显示，这些类型的电池也占2020年所有圆柱形电池出货量的24%。26650电池并不常见与NMC化学成分搭配。近年来，随着锂聚合物电池的日益普及，较小的棱柱形NMC格式（例如103450（10×34×50mm））已不受欢迎。
对于LFP电池来说，18650和26650格式很常见；这两种格式往往由领先的LFP电池制造商提供（图2）。这使得在为电池组选择LFP电池时，可以从相互竞争的电池制造商处进行双重采购。26650格式在很大程度上被限制在LFP电池化学成分上。在过去的几年里，50-100-Ah范围内的大型棱柱形LFP电池已经崛起。
2.典型的18650NMC和LFP电池的性能特点。
较大的LFP棱柱形格式通常用于电动汽车或工业设备，如叉车（图3）。这些电池被归类为中型或大型格式，并要求非常高的额定功率。遗憾的是，大格式棱柱形LFP电池的标准很少，因此任何电池组选择的电池片都将从特定的制造商处单一采购。
3.这款中规中矩的叉车电池是基于100-AhLFP电池的。
总结
在开发使用锂离子电池供电的移动或便携式设备时，必须牢记市场上的各种电池格式和化学成分。电池片的选择不仅是电池组，也是终端设备早期设计阶段最关键的决定。选择具有市场发展势头的锂离子格式和化学成分，有助于保证电池的长生命周期，并为整个电池寿命中的性能和成本改进提供路线图。
