เรามักพูดถึงแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคหรือแบตเตอรี่เหล็ก-ลิเธียม ซึ่งตั้งชื่อตามวัสดุที่ออกฤทธิ์ในเชิงบวก แบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไป 6 ชนิด ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ลิเธียมแมงกาเนต ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกาเนต (NCM) ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์อะลูมิเนต (NCA) ลิเธียมไอรอนฟอสเฟตและลิเธียมไททาเนต

1. ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2)

พลังงานจำเพาะที่สูงทำให้ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับโทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และกล้องดิจิตอล ข้อเสียของลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์คืออายุการใช้งานที่ค่อนข้างสั้น ความเสถียรทางความร้อนต่ำ และความสามารถในการรับน้ำหนักที่จำกัด (กำลังเฉพาะ) เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไฮบริดโคบอลต์อื่น ๆ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ใช้แอโนดกราไฟท์และอายุการใช้งานของวงจรส่วนใหญ่ถูก จำกัด ด้วยอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง (SEI) ซึ่งส่วนใหญ่ปรากฏในฟิล์ม SEI หนาและการชุบขั้วลบ ระหว่างการชาร์จอย่างรวดเร็วหรือการชาร์จที่อุณหภูมิต่ำ ปัญหาลิเธียม ระบบวัสดุที่ใหม่กว่าเพิ่มนิกเกิล แมงกานีส และ/หรืออะลูมิเนียมเพื่อปรับปรุงอายุ ความสามารถในการรับน้ำหนัก และลดต้นทุน

ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เป็นเลิศในด้านพลังงานจำเพาะสูง แต่ให้ประสิทธิภาพปานกลางในแง่ของลักษณะกำลังไฟฟ้า ความปลอดภัย และอายุการใช้งาน

2. แบตเตอรี่ลิเธียมแมงกาเนต (LiMn2O4)

ลิเธียมแมงกาเนตสปิเนลได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกในการวิจัยวัสดุในปี 2526 ในปี 2539 Moli Energy ได้จำหน่ายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีลิเธียมแมงกาเนตเป็นวัสดุแคโทด สถาปัตยกรรมสร้างโครงสร้างสปิเนลสามมิติที่ปรับปรุงการไหลของไอออนผ่านอิเล็กโทรด ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานภายในและเพิ่มความสามารถในการรองรับกระแสไฟ ข้อดีอีกประการของนิลคือความเสถียรทางความร้อนสูงและความปลอดภัยที่ดีขึ้น แต่มีวงจรและอายุปฏิทินที่จำกัด

ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ต่ำทำให้สามารถชาร์จได้อย่างรวดเร็วและปล่อยกระแสไฟสูง เซลล์ประเภท 18650 แบตเตอรี่ลิเธียมแมงกาเนตสามารถปล่อยกระแสไฟที่ 20-30A โดยมีการสะสมความร้อนปานกลาง และอุณหภูมิของแบตเตอรี่ต้องไม่เกิน 80°C ลิเธียมแมงกาเนตใช้ในเครื่องมือไฟฟ้า อุปกรณ์ทางการแพทย์ และรถยนต์ไฟฟ้าแบบไฮบริดและบริสุทธิ์ ความจุของลิเธียมแมงกาเนตนั้นต่ำกว่าลิเธียมโคบอลเตตประมาณหนึ่งในสาม ความยืดหยุ่นในการออกแบบช่วยให้วิศวกรสามารถเลือกที่จะยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้สูงสุด หรือเพิ่มกระแสโหลดหรือความจุสูงสุด

แบตเตอรี่ลิเธียมแมงกาเนตบริสุทธิ์ไม่มีอยู่ทั่วไปในทุกวันนี้ ใช้เฉพาะในกรณีพิเศษเท่านั้น

ลิเธียมแมงกานีสส่วนใหญ่ผสมกับลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (NMC) เพื่อเพิ่มพลังงานจำเพาะและยืดอายุขัย การผสมผสานนี้นำเสนอประสิทธิภาพที่ดีที่สุดจากแต่ละระบบ และ EV ส่วนใหญ่เช่น Nissan Leaf, Chevrolet Volt และ BMW i3 เลือกใช้ LMO (NMC) ส่วน LMO ของแบตเตอรี่สามารถเข้าถึงได้ประมาณ 30% และสามารถให้กระแสไฟที่สูงขึ้นในระหว่างการเร่งความเร็ว ส่วน NMC ให้ช่วงยาว

การวิจัยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีแนวโน้มที่จะรวมลิเธียมแมงกาเนตกับโคบอลต์ นิกเกิล แมงกานีส และ/หรืออะลูมิเนียมเป็นวัสดุแคโทดแบบแอคทีฟ ในบางสถาปัตยกรรม มีการเติมซิลิกอนจำนวนเล็กน้อยลงในขั้วลบ สิ่งนี้ให้การเพิ่มความจุ 25%; อย่างไรก็ตาม ซิลิกอนจะขยายตัวและหดตัวด้วยประจุและการคายประจุ ทำให้เกิดความเครียดทางกล และการเพิ่มความจุมักจะเชื่อมโยงอย่างแน่นหนากับอายุการใช้งานที่สั้น

3. ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกาเนต (NMC)

ระบบ Li-ion ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดระบบหนึ่งคือการรวมแคโทดของนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ (NMC) เช่นเดียวกับลิเธียมแมงกาเนต ระบบนี้สามารถปรับแต่งเพื่อใช้เป็นแบตเตอรี่พลังงานหรือพลังงานได้ ตัวอย่างเช่น NMC ในแบตเตอรี่ 18650 ภายใต้สภาวะโหลดปานกลางมีความจุประมาณ 2,800mAh และสามารถจ่ายกระแสไฟ 4A ถึง 5A; NMC ชนิดเดียวกัน เมื่อปรับให้เหมาะสมกับกำลังไฟฟ้าเฉพาะ จะมีความจุเพียง 2,000mAh แต่สามารถจ่ายกระแสไฟได้ 20A อย่างต่อเนื่อง อิเล็กโทรดลบที่ใช้ซิลิกอนจะมีขนาดมากกว่า 4000mAh แต่ความจุของโหลดจะลดลงและอายุการใช้งานของวงจรจะสั้นลง ซิลิคอนที่เติมลงในกราไฟต์มีข้อบกพร่องที่อิเล็กโทรดลบจะขยายตัวและหดตัวด้วยการชาร์จและการคายประจุ ทำให้แบตเตอรี่มีความเครียดทางกลไกและโครงสร้างไม่เสถียร

เคล็ดลับของ NMC คือการผสมผสานระหว่างนิกเกิลและแมงกานีส เกลือนี้คล้ายกับเกลือแกงซึ่งมีส่วนประกอบหลักที่โซเดียมและคลอไรด์เป็นพิษในตัวเอง แต่ผสมเข้าด้วยกันเป็นเกลือปรุงรสและวัตถุกันเสียในอาหาร นิกเกิลเป็นที่รู้จักในด้านพลังงานจำเพาะสูงแต่มีความเสถียรต่ำ โครงสร้างนิลแมงกานีสสามารถบรรลุความต้านทานภายในต่ำ แต่มีพลังงานจำเพาะต่ำ ข้อดีของโลหะแอคทีฟทั้งสองนั้นเสริมกัน

NMC เป็นแบตเตอรี่ที่เหมาะสำหรับเครื่องมือไฟฟ้า จักรยานไฟฟ้า และระบบส่งกำลังไฟฟ้าอื่นๆ การรวมอิเล็กโทรดบวกมักจะเป็นนิกเกิลหนึ่งในสาม แมงกานีส 1 ใน 3 และโคบอลต์ 1 ใน 3 หรือที่เรียกว่า 1-1-1 สิ่งนี้ให้ส่วนผสมที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งช่วยลดต้นทุนวัตถุดิบเนื่องจากปริมาณโคบอลต์ลดลง การรวมกันที่ประสบความสำเร็จอีกประการหนึ่งคือ NCM ซึ่งมีนิกเกิล 5 ส่วน โคบอลต์ 3 ส่วน