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钛酸锂电池优缺点,国内的钛酸锂电池质量怎么样?

钜大LARGE  |  点击量:10804次  |  2019年10月01日  

摘要
近年来,钛酸锂电池可谓是风头出尽,特别是在得到董明珠的热捧之后,一下子就从无人问津的草根,变成了聚光灯下的白富美。那么,如此神奇的钛酸锂电池究有何魅力,为何如今人们对他仍旧争议颇多,今天贤集网小编就带着大家一起去揭开钛酸锂电池的神秘面纱,一探钛酸锂电池优缺何在,顺便谈谈目前国内的钛酸锂电池质量究竟怎样。

近年来,钛酸锂电池可谓是风头出尽,特别是在得到董明珠的热捧之后,一下子就从无人问津的草根,变成了聚光灯下的白富美。那么,如此神奇的钛酸锂电池究有何魅力,为何如今人们对他仍旧争议颇多,今天贤集网小编就带着大家一起去揭开钛酸锂电池的神秘面纱,一探钛酸锂电池优缺何在,顺便谈谈目前国内的钛酸锂电池质量究竟怎样


一、什么是钛酸锂电池


钛酸锂电池是一种用作锂离子电池负极材料-钛酸锂,可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池。此外,它还可以用作正极,与金属锂或锂合金负极组成1.5V的锂二次电池。


由于钛酸锂的高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点。钛酸锂材料有望在未来几年成为新一代锂离子电池的负极材料而被广泛应用在新能源汽车、电动摩托车和要求高安全性、高稳定性和长周期的应用领域。钛酸锂电池工作电压2.4V,最高电压3.0V,充电电流大于2C(即电池容量值的2倍的电流)。


二、钛酸锂电池优缺点


钛酸锂电池优点


作为动力电池,消费者最关心的问题主要集中于安全稳定性、循环寿命、耐宽温性、充电速度和能量密度这五大关键指标。在当前的技术条件下,只有各项性能指标均衡的电池,才能适应更广泛的运行环境,并在确保用户使用安全的同时,降低使用成本,提升使用效率,从而成为市场的主流。同传统的锰酸锂电池和磷酸铁锂电池相比,钛酸锂电池在这些方面有着明显的优势。


1、安全稳定性好。


传统的碳电极在嵌锂之后一旦过充,电极的表面容易析出金属锂,其与电解液接触发生反应会产生可燃性气体,带来安全隐患。钛酸锂的电势比纯金属锂的电势高,不易产生锂晶枝,放电电压平稳,而且,因此提高了锂电池的安全性能。曾有第三方机构对钛酸锂电池进行测试发现,在针刺、挤压、短路等严苛测试下,不冒烟、不起火、不爆炸,安全性远高于其他锂电池。因此也有很多业内人士认为钛酸锂十分适合用在对电池稳定性要求极高的特种等领域。


电动汽车的安全稳定性能是消费者最为关注的指标,无论续航里程多远,如果不能解决安全问题,消费者开的不过是一辆装着不定时炸弹的车子,而钛酸锂电池的超安全性能无疑将会受到消费者的青睐。


2、快充性能优异。


与碳负极材料相比,钛酸锂具有较高的锂离子扩散系数,可高倍率充放电。在大大缩短充电时间的同时,对循环寿命的影响较小,热稳定性也较强。据测试,最新技术研发的钛酸锂电池十分钟左右即可充满,比传统的电池有了质的飞跃。


充电时间太长一直是电动汽车发展过程中难以跨越的障碍。一般采用慢充的纯电动公交车,充电时间至少要4个小时以上,很多纯电动乘用车的充电时间更是长达8个小时。电动车辆的快速充电是未来的趋势,消费者不愿浪费太多时间在等待充电这个环节。


3、循环寿命长。


电池循环寿命决定整个新能源车的性价比,是未来新能源车脱离补贴政策后的主要竞争点。汽车电池循环寿命的延长,让消费者能够买得起、养得起。


其他的传统锂离子电池,比如磷酸铁锂电池,在使用过程中会出现容量大幅衰减、寿命缩短的问题,不仅影响了用户的正常使用,还增加了电池更换成本。这种不佳的使用体验,很可能让消费者对电动汽车望而却步,从而不利于新能源汽车行业的可持续发展。钛酸锂电池则很好地解决了这些问题。


钛酸锂电池在充放电时,锂离子嵌入和脱嵌不会造成钛酸锂晶型结构的变化,因此对钛酸锂材料的结构几乎没有影响。正因如此,钛酸锂也被称为“零应变材料”。钛酸锂电池与当前“慢充最多使用5年、快充最多使用2年”的磷酸铁锂电池相比,优势十分突出。根据试验数据测定,普通电池循环使用寿命平均为3000次,而钛酸锂电池完全充放电循环次数可达3万次以上,在作为动力电池使用10年之后,可能还能作为储能电池再用20年。这也意味着,钛酸锂电池可以做到与车辆同生命周期,用户在实际使用中不用更换电池,几乎不增加后期成本。


4、耐宽温性能良好。


钛酸锂电池的尖晶石结构具有三维锂离子扩散通道,因此钛酸锂电池在高低温性能上的表现也十分优异。一般电动汽车在零下10℃时充放电就会出现问题,钛酸锂电池耐宽温性能良好,耐用性强,在零下50℃到零上60℃均可正常充放电,无论是在冰封的北国,还是在炎热的南方,车辆都不会因电池“休克”而影响工作,消除了用户的后顾之忧。


钛酸锂电池的这些优势,能大幅节省充电站场地建设和人员配置成本等,更适合在公交领域的推广应用,而公交系统正是我国新能源客车推广应用的“主战场”。来自目前推广应用新能源车比例最高的公交市场的反馈显示,快充方式更加适合当前公交市场的实际需求。河北邯郸一家公交企业应用钛酸锂电池的新能源公交车运营已有两年多时间,其相关负责人的体会是:“一辆车快充6-10分钟就可以充满,驾驶员换班休息的间隙就能充好。”


钛酸锂电池缺点:


1、比容量比其他的金属基材料低很多。理论容量175mAh/g。


钛酸锂电池优势明显,其不足之处也很明显,比如能量密度相对较低,续航能力弱。经测试,钛酸锂的克容量为160-170mAh/g,只有传统石墨负极材料的一半,对锂电位为1.5V,这会极大损失能量密度。


2、导电性差,大电流放电极化比较严重,因而高倍率下性能不佳。


3、作为电池材料其振实密度比较低,单位体积的容量较小。


4、锂元素的利用率低,电池成本过高。


锂电池的充放电靠锂离子来回迁移完成,不同电池体系的锂电池每安时消耗的锂元素是一样的,所以电池体系能量密度越高,锂元素的利用率越高,而钛酸锂电池的能量密度不到磷酸铁锂电池的一半,其锂元素的利用率也不到磷酸铁锂电池的一半,这不仅造成了锂资源的严重浪费,也导致钛酸锂电池物料成本居高不下。此外,钛的成本较高,钛酸锂工艺等问题也亟需解决。目前三元-钛酸锂电池的成本大约是三元-石墨电池的2-3倍,高昂的成本限制了钛酸锂电池装车时的用量,这是该技术路线的客观短板。


三、国内的钛酸锂电池质量怎么样


国内目前在钛酸锂电池生产方面已有多家,如湖州微宏、珠海银隆、深圳博磊达、天津市捷威动力工业有限公司、四川兴能、中信国安盟固利电源技术有限公司、湖南杉杉及安徽和深圳周边的多家规模较小的钛酸锂电池生产厂家。


湖州微宏自2006年成立以来一直致力于钛酸锂技术开发。公司对其钛酸锂电池生产需要的钛酸锂材料、隔膜、电解液以及正极材料进行了垂直整合。近年来为了适应市场需求,湖州微宏具备了日产8万只10Ah的钛酸锂电池产品的产能以及2倍于的钛酸锂电池的多元正极锂电池产品的产能。


截至2014年底,湖州微宏的10分钟快速充电电池系统已装备了超过3000辆混合动力为主的电动大巴,主要销往英国、荷兰及中国重庆等地。在储能市场方面,湖州微宏分别在美国的佛蒙特州及中国重庆安装了用于电网调频及电网需求管理的钛酸锂电池储能系统。


珠海银隆目前量产的钛酸锂电池产品有20Ah和65Ah软包电池以及25Ah、30Ah和55Ah圆柱电池,性能指标已达到美国奥钛生产的钛酸锂电池。电池100%DOD的循环次数超过16000次,10%DOD则达到160万次。这几款电池均已通过北方汽车质量监督检验鉴定试验所(201所)的第三方检测。


在应用方面,银隆新型纯电动公交车使用了圆柱形、寿命长、充放电快的钛酸锂电池,续航里程可达30~80km,快速充电只需6~10分钟,也可用夜间谷电慢充30~60分钟充满。该系列车型已经成功地投放于广东湛江、河北邯郸、石家庄等地公交系统。


银隆专为北京公交设计开发的仿古铛铛车于2014年9月投入商业化运营。该车还被指定为北京APEC会议的官方指定用车。在储能市场,银隆分别与国家电网和南方电网合作承担了储能方面的863国家项目,为张北风光储输示范站和深圳宝清电池储能站分别提供了2个2MWh和1个600kWh钛酸锂系统的部分模块、电池箱设计以及系统解决方案。


深圳博磊达通过独特的材料处理方法,可以制备得到性能良好的Li4Ti5O12材料,并通过技术攻关项目,从钛酸锂电池的生产工艺提升出发,高性能Li4Ti5O12的设计和制备已经取得重大进展,目前量产的产品有17Ah、20Ah和25Ah圆柱电池,解决了钛酸锂电池容易胀气的问题,获得了高性能的钛酸锂电池产品,并取得了权威的第三方检测报告。


博磊达公司从高功率Li4Ti5O12电极材料设计入手,研究Li4Ti5O12材料界面副反应揭示产气机理和解决机制对Li4Ti5O12电极材料在动力电池中的规模化应用并取得了重大突破。


天津捷威得到了美国奥钛的钛酸锂电池生产技术转让,并结合自己多年来在聚合物软包动力电池生产方面的技术积累而独居特色。公司成功地突破了胀气难题,已具备批量生产大规格单体钛酸锂电池的技术及能力,电池容量达到60Ah,累计出货量为2000万Ah。


该电池可以承受10C以上连续充放电,寿命达到2万次以上,温度范围为-40~60℃,主要应用于快充大巴和调频的储能电站。


钛酸锂电池技术开发难点及其发展方向


1、在中国发展钛酸锂电池技术的理由


钛酸锂电池技术在我国各种储能电池中的竞争应该占有天时、地利、人和之优势。光就使用寿命而言,钛酸锂电池超长的循环寿命远胜于各类铅酸电池;其效率、成本及电化学性能更是优于钠硫与液流钒等电池体系。


锂电产品历年来主要市场是便携式电器如手机和手提电脑等。中国的手机与手提电脑的用量虽大,但大部分都不属国内品牌。所以国内锂电厂家在便携式电器上的锂电销售能力输于日韩产品。


然而,钛酸锂技术的适用市场却是混合电动车、特殊工业应用及储能应用如调频及电网电压支撑等。这些市场在全世界尚处于起步阶段,谁执牛耳尚未可知。钛酸锂技术有望成为这些市场中的佼佼者。


中国人口基数占全世界约1/5。由于人口众多,中国的电动车、储能及工业应用市场是一个让许多国家的跨国公司所垂涎的巨大市场。近年来中国政府对电动车及储能产业的发展高度重视,各类国家鼓励政策纷纷出台。中国产的钛酸锂电池系统在重庆及欧洲的混合电动大巴、张北的风光储示范站及深圳宝清储能电站已有了几年的商业化应用数据积累。


另外,我国锂电产业链的上下游早已成气候,除了完备的电池材料供应与设备制造能力之外,锂电池产品的生产能力也与日、韩三分天下。这就使得我国的锂电生产厂家从传统锂电生产转型到钛酸锂电池产品生产具备了先天的条件。


我国在钛酸锂材料生产方面早已有了像四川兴能、珠海银隆、湖州微宏等既有实力又有经验的企业。在钛酸锂电池生产方面脱颖而出的代表企业有湖州微宏、珠海银隆、深圳博磊达、天津捷威等。


这些企业都已经在国内外电动车及储能市场初步建立了自己的销售渠道。尤其值得指出的是深圳博磊达拥有从材料生产到电池制作及系统集成一系列专有技术与知识产权,目前中国锂电界尚属少见的拥有自主知识产权的生产厂家。


2、钛酸锂材料、电池及电池组制作的瓶颈


既然钛酸锂电池技术有诸多其他锂电无法比拟的优越性,那为何至今为止在中国能源行业乃至世界能源领域应用寥寥呢?原因有以下3个方面:


①钛酸锂材料生产钛酸锂材料的生产从原则上说并不复杂。但要用作锂离子电池的负极材料,不但需要讲究材料具有合适的比表面积、粒度、密度和电化学性能等,还必须能够适应于大规模锂电池的生产工艺。钛酸锂材料在很多传统锂电生产线上无法正常生产的原因之一就是材料的pH为11或12,吸湿性极强。


②钛酸锂电池制作在事实上,将常规锂离子电池生产线直接用来生产钛酸锂电池产品并不像仅仅把石墨换成钛酸锂材料那样简单。因为钛酸锂材料对湿度的要求比常规锂离子电池生产要高得多。为了控制湿度,有些制备工艺需要做相应的调整以适应钛酸锂电池产品生产的特殊要求。另外,有些生产设备也需要做相应的改进。如果有条件的话,最好能专门为钛酸锂电池产品重新设计一条结构紧凑、体积小巧、全封闭式的自动化生产线。


③钛酸锂电池组与常规锂离子电池不同,目前国内外生产的钛酸锂电池在成组投入应用一段时期后常会看到软包的单体电池内有微量的气体产生。这些气体与新鲜电池化成时产生的气体不同。前者能够通过电池生产工艺来去除。但后者则是在电池使用过程中产生的,或者说在目前的工艺条件下很难避免。


笔者认为,研究循环时气体产生的化学反应机理应该不失为一个很好的科研题目。另外,由于钛酸锂电池技术的优越性之一是其高功率性能。虽然电池本身可以承受大电流充放电,但厚的单体电池仍然不适于高功率应用因为电池太厚会造成大电流产生的热量难以散发。所以对大功率钛酸锂电池来说,尺寸大而薄的软包电池结构仍不失为一个合理的选择。


3、钛酸锂技术的今后发展方向


最后,在此有必要综合概括一下钛酸锂材料作为锂电负极的优劣势,优势:超高安全性、超长寿命、高低温工作范围宽、高功率、低成本以及绿色环保。劣势:钛酸锂材料能量密度低、吸水性强,电池制作的环境要求高、生产工艺要做相应的更新、新工艺需要投资必要的设备与更高要求的湿度控制、以及钛酸锂电池的应用市场尚未充分打开。


结语


在当前中国政府大力倡导开发新能源及其相关产业的大环境下,如何推动钛酸锂电池技术及其在电动车和储能市场上的应用对中国钛酸锂电池产业而言是机不可失,时不再来。对于国内的珠海银隆、湖州微宏、深圳博磊达、四川兴能、深圳贝特瑞等拥有一部分自主知识产权的优势及销售渠道的企业应该是得天独厚的机会。很多人没有意识到中国在钛酸锂技术方面的知识产权优势是目前以磷酸铁锂电池为主的所谓“主流化学”所不具备的。


开发高容量高电位正极材料以提高钛酸锂电池的能量密度是赶超日韩的一步妙棋。当然,同时必须对整个锂离子电池化学体系进行研究,如高电位电解液和抗氧化隔膜等课题研究。中国锂电行业开发钛酸锂电池技术的努力将会得到正在崛起的电动车、储能及工业应用市场可观的回报。


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