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鈦酸鋰電池為什么不能普及?

鉅大LARGE  |  點擊量:7787次  |  2018年04月25日  

摘要
鈦酸鋰電池是一種用作鋰離子電池負極材料-鈦酸鋰,可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。

  鈦酸鋰電池是一種用作鋰離子電池負極材料-鈦酸鋰,可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。此外,它還可以用作正極,與金屬鋰或鋰合金負極組成1.5V的鋰二次電池。

  鈦酸鋰電池為何沒有成為主流_鈦酸鋰電池優缺點詳解

  鈦酸鋰(LTO)材料在電池中作為負極材料使用,由于其自身特性的原因,材料與電解液之間容易發生相互作用并在充放循環反應過程中產生氣體析出,因此普通的鈦酸鋰電池容易發生脹氣,導致電芯鼓包,電性能也會大幅下降,極大地降低了鈦酸鋰電池的理論循環壽命。測試數據表明,普通的鈦酸鋰電池在經過1500-2000次左右的循環就會發生脹氣的現象,導致無法正常使用,這也是制約鈦酸鋰電池大規模應用的一個重要原因。

  鈦酸鋰(LTO)電池性能改進是單個材料的性能的提升以及各關鍵材料的有機整合的綜合體現。針對快速充電與長使用壽命的要求,除負極材料以外,還要針對鋰離子電池的其他關鍵原材料(包括正極材料、隔膜、以及電解液),同時結合特殊的工程化工藝經驗,最終形成了“不脹氣”的鈦酸鋰LpTO電池產品,并首先實現了在電動公交客車上的批量應用。

  測試數據表明,在6C充電,6C放電,100%DOD的條件下,鈦酸鋰LpTO單體電池的循環壽命超過25000次,剩余容量超過80%,同時電芯產生的脹氣現象不明顯,不影響其壽命;而重慶快速充電純電動公交的實際應用情況也表明,在電池成組以后,電性能的表現也相當優異,可以保證純電動公交客車的日常商業化運營。

  鈦酸鋰電池優點

  鈦酸鋰電池為何沒有成為主流_鈦酸鋰電池優缺點詳解

  1、安全穩定性好

  傳統的碳電極在嵌鋰之后一旦過充,電極的表面容易析出金屬鋰,其與電解液接觸發生反應會產生可燃性氣體,帶來安全隱患。鈦酸鋰的電勢比純金屬鋰的電勢高,不易產生鋰晶枝,放電電壓平穩,而且,因此提高了鋰電池的安全性能。曾有第三方機構對鈦酸鋰電池進行測試發現,在針刺、擠壓、短路等嚴苛測試下,不冒煙、不起火、不爆炸,安全性遠高于其他鋰電池。因此也有很多業內人士認為鈦酸鋰十分適合用在對電池穩定性要求極高的軍工等領域。

  電動汽車的安全穩定性能是消費者最為關注的指標,無論續航里程多遠,如果不能解決安全問題,消費者開的不過是一輛裝著不定時炸彈的車子,而鈦酸鋰電池的超安全性能無疑將會受到消費者的青睞。

  2、快充性能優異

  與碳負極材料相比,鈦酸鋰具有較高的鋰離子擴散系數,可高倍率充放電。在大大縮短充電時間的同時,對循環壽命的影響較小,熱穩定性也較強。據測試,最新技術研發的鈦酸鋰電池十分鐘左右即可充滿,比傳統的電池有了質的飛躍。

  充電時間太長一直是電動汽車發展過程中難以跨越的障礙。一般采用慢充的純電動公交車,充電時間至少要4個小時以上,很多純電動乘用車的充電時間更是長達8個小時。電動車輛的快速充電是未來的趨勢,消費者不愿浪費太多時間在等待充電這個環節。

  3、循環壽命長

  電池循環壽命決定整個新能源車的性價比,是未來新能源車脫離補貼政策后的主要競爭點。汽車電池循環壽命的延長,讓消費者能夠買得起、養得起。

  其他的傳統鋰離子電池,比如磷酸鐵鋰電池,在使用過程中會出現容量大幅衰減、壽命縮短的問題,不僅影響了用戶的正常使用,還增加了電池更換成本。這種不佳的使用體驗,很可能讓消費者對電動汽車望而卻步,從而不利于新能源汽車行業的可持續發展。鈦酸鋰電池則很好地解決了這些問題。

  鈦酸鋰電池在充放電時,鋰離子嵌入和脫嵌不會造成鈦酸鋰晶型結構的變化,因此對鈦酸鋰材料的結構幾乎沒有影響。正因如此,鈦酸鋰也被稱為“零應變材料”。鈦酸鋰電池與當前“慢充最多使用5年、快充最多使用2年”的磷酸鐵鋰電池相比,優勢十分突出。根據試驗數據測定,普通電池循環使用壽命平均為3000次,而鈦酸鋰電池完全充放電循環次數可達3萬次以上,在作為動力電池使用10年之后,可能還能作為儲能電池再用20年。這也意味著,鈦酸鋰電池可以做到與車輛同生命周期,用戶在實際使用中不用更換電池,幾乎不增加后期成本。

  4、耐寬溫性能良好

  鈦酸鋰電池的尖晶石結構具有三維鋰離子擴散通道,因此鈦酸鋰電池在高低溫性能上的表現也十分優異。一般電動汽車在零下10℃時充放電就會出現問題,鈦酸鋰電池耐寬溫性能良好,耐用性強,在零下50℃到零上60℃均可正常充放電,無論是在冰封的北國,還是在炎熱的南方,車輛都不會因電池“休克”而影響工作,消除了用戶的后顧之憂。

  鈦酸鋰電池的這些優勢,能大幅節省充電站場地建設和人員配置成本等,更適合在公交領域的推廣應用,而公交系統正是我國新能源客車推廣應用的“主戰場”。來自目前推廣應用新能源車比例最高的公交市場的反饋顯示,快充方式更加適合當前公交市場的實際需求。河北邯鄲一家公交企業應用鈦酸鋰電池的新能源公交車運營已有兩年多時間,其相關負責人的體會是:“一輛車快充6-10分鐘就可以充滿,駕駛員換班休息的間隙就能充好?!?br/>
  鈦酸鋰電池負極采用鈦酸鋰,相比負極用石墨的主流鋰電池,市場份額十分小眾。資料顯示,在新能源客車中,鈦酸鋰電池的市場份額占比約為3%,遠低于磷酸鐵鋰電池88%的市場份額;而在乘用車領域,鈦酸鋰電池則和其他少數派技術一起,分享著3%的市場空間。

  鈦酸鋰電池為何沒有成為主流_鈦酸鋰電池優缺點詳解

  鈦酸鋰電池為何沒有成為主流?造成這種現象的原因主要有以下幾種因素:

  1、鋰電池壽命、性能等是受到多個方面的影響,特別是四大材料的影響。鈦酸鋰僅是負極材料,一個材料再怎么進步,也很難因此讓產品產生無可匹敵的優勢。更何況正極材料才是影響鋰電池性能最重要的材料。

  2、鈦酸鋰電池,最大的劣勢是能量密度低,成本高。特別是能量密度低是因為負極材料鈦酸鋰的原理性能決定,很難有大的突破空間。成本可以通過規?;档?,而基于原理上的弱點,無法通過技術來改變。

  3、至于鈦酸鋰電池宣稱的使用壽命長,更難被認證。電池壽命還受到正極材料、電解液、隔膜、使用溫度等綜合影響。鈦酸鋰做負極,本身也存在脹氣和長時間使用一致性降低等問題,目前原理上也不能證明太酸鋰電池會比其他電池壽命長。目前磷酸鐵鋰、三元電池,循環壽命已經可以做到2000次以上,按一般等使用頻率看,已經可以做到7-10年,隨著技術的進步,存在3000次、4000次也不會太遙遠,局勢從性能上,已經可以使用超過10年甚至達到20年的使用壽命,將超過汽車的一般的生命周期。鈦酸鋰電池即使做到了長壽命,也沒優勢。

  4、鈦酸鋰電池做的企業少,將導致產業整體研發投入少,從目前電池企業研發投入及規劃投入看,也很少企業會重點發展鈦酸鋰電池。未來,其他鋰電池技術進步速度將超過鈦酸鋰電池。

  5、戰新產研從產業趨勢角度看,不要相信國際主流企業都做不好的技術,會在中國發光發熱。中國基礎研究還遠達不到國際先進企業水平,想在國際技術潮流中撿漏,無異于異想天開。鈦酸鋰電池未來市場空間將十分有限。汽車產業基本沒有空間,未來汽車產業的空間將比現在還小。儲能領域可以嘗試,但也絕對不會成為主流,再加上價格高昂,與未來儲能有望用動力電池二次利用的高性價比相比,鈦酸鋰在儲能領域前景也堪憂。

  發展現狀

  鈦酸鋰電池為何沒有成為主流_鈦酸鋰電池優缺點詳解

  盡管鈦酸鋰電池還存在一些不足,但它在安全性能、充放電以及循環壽命等方面的顯著優勢,直指當今市面上其它類型動力電池的痛點。目前,國內從事研發鈦酸鋰電池的企業有銀隆、微宏動力等,隨著這些企業對鈦酸鋰研發力度的加大,一些技術難題也將會被陸續突破。

  據了解,已掌握鈦酸鋰核心技術的銀隆,其所研發的第四代高能量密度鈦酸鋰電池,與第三代相比成本下降40%,能量密度提高60%。銀隆還掌握了氫鈦研發這一核心技術,該技術將有效解決電池能量密度的問題,目前,銀隆不僅在北京、石家莊、邯鄲、珠海等國內30多個城市實現產品的成功運營,還順利進入了美國、德國、法國等海外市場。2015年,銀隆全年銷售訂單近7000輛。據了解,未來銀隆還將通過鈦酸鋰電池和燃料電池的結合,解決新能源汽車續航里程短的難題。

  微宏動力多年來也一直專注于鋰離子動力電池核心材料的研發,并將鈦酸鋰電池的研發作為其主要戰略方向。2011年,微宏動力投入了國內第一條快充公交線路,到2015年實現年銷售額15億元。經過多年研究,微宏動力選擇了能承受快充大電流、具有尖晶石結構的鈦酸鋰多孔復合碳做負極材料,在2013年發布了第二代快充電池LpCO鋰電池,為了避免快充時高功率電流對電池安全性造成的威脅,結合了不燃燒電解液、高孔隙率高透氣性隔膜技術以及STL智能熱控流體技術,來提升充電的安全性。2016年6月9日,在由英國《金融時報》舉辦的“轉型創新商業獎”的頒獎典禮上,微宏動力榮獲了“低碳城市轉型創新成就獎”及“轉型創新商業卓越獎”,成為入選該典禮的唯一一家中國企業。

  盡管外界對鈦酸鋰電池的爭論仍未停止,但爭議并非壞事。讓不同的聲音充分表達出來,真理才能越辯越明。盡管對鈦酸鋰電池的爭議在某種程度上會影響市場和消費者對鈦酸鋰電池的信心,也可能會影響投資決定,但從鈦酸鋰電池所具備的五大優勢、未來鈦酸鋰電池技術方面的持續突破,以及銀隆、微宏動力等企業在鈦酸鋰配套汽車方面的運營經驗可以判斷,未來鈦酸鋰電池或將會成為新能源汽車電池技術的一股“有生力量”。

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