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钛酸锂电池为什么不能普及?

钜大LARGE  |  点击量:7986次  |  2018年04月25日  

摘要
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。

  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。

  钛酸锂电池为何没有成为主流_钛酸锂电池优缺点详解

  钛酸锂(LTO)材料在电池中作为负极材料使用,由于其自身特性的原因,材料与电解液之间容易发生相互作用并在充放循环反应过程中产生气体析出,因此普通的钛酸锂电池容易发生胀气,导致电芯鼓包,电性能也会大幅下降,极大地降低了钛酸锂电池的理论循环寿命。测试数据表明,普通的钛酸锂电池在经过1500-2000次左右的循环就会发生胀气的现象,导致无法正常使用,这也是制约钛酸锂电池大规模应用的一个重要原因。

  钛酸锂(LTO)电池性能改进是单个材料的性能的提升以及各关键材料的有机整合的综合体现。针对快速充电与长使用寿命的要求,除负极材料以外,还要针对锂离子电池的其他关键原材料(包括正极材料、隔膜、以及电解液),同时结合特殊的工程化工艺经验,最终形成了“不胀气”的钛酸锂LpTO电池产品,并首先实现了在电动公交客车上的批量应用。

  测试数据表明,在6C充电,6C放电,100%DOD的条件下,钛酸锂LpTO单体电池的循环寿命超过25000次,剩余容量超过80%,同时电芯产生的胀气现象不明显,不影响其寿命;而重庆快速充电纯电动公交的实际应用情况也表明,在电池成组以后,电性能的表现也相当优异,可以保证纯电动公交客车的日常商业化运营。

  钛酸锂电池优点

  钛酸锂电池为何没有成为主流_钛酸锂电池优缺点详解

  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军工等领域。

  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。”

  钛酸锂电池负极采用钛酸锂,相比负极用石墨的主流锂电池,市场份额十分小众。资料显示,在新能源客车中,钛酸锂电池的市场份额占比约为3%,远低于磷酸铁锂电池88%的市场份额;而在乘用车领域,钛酸锂电池则和其他少数派技术一起,分享着3%的市场空间。

  钛酸锂电池为何没有成为主流_钛酸锂电池优缺点详解

  钛酸锂电池为何没有成为主流?造成这种现象的原因主要有以下几种因素:

  1、锂电池寿命、性能等是受到多个方面的影响,特别是四大材料的影响。钛酸锂仅是负极材料,一个材料再怎么进步,也很难因此让产品产生无可匹敌的优势。更何况正极材料才是影响锂电池性能最重要的材料。

  2、钛酸锂电池,最大的劣势是能量密度低,成本高。特别是能量密度低是因为负极材料钛酸锂的原理性能决定,很难有大的突破空间。成本可以通过规模化降低,而基于原理上的弱点,无法通过技术来改变。

  3、至于钛酸锂电池宣称的使用寿命长,更难被认证。电池寿命还受到正极材料、电解液、隔膜、使用温度等综合影响。钛酸锂做负极,本身也存在胀气和长时间使用一致性降低等问题,目前原理上也不能证明太酸锂电池会比其他电池寿命长。目前磷酸铁锂、三元电池,循环寿命已经可以做到2000次以上,按一般等使用频率看,已经可以做到7-10年,随着技术的进步,存在3000次、4000次也不会太遥远,局势从性能上,已经可以使用超过10年甚至达到20年的使用寿命,将超过汽车的一般的生命周期。钛酸锂电池即使做到了长寿命,也没优势。

  4、钛酸锂电池做的企业少,将导致产业整体研发投入少,从目前电池企业研发投入及规划投入看,也很少企业会重点发展钛酸锂电池。未来,其他锂电池技术进步速度将超过钛酸锂电池。

  5、战新产研从产业趋势角度看,不要相信国际主流企业都做不好的技术,会在中国发光发热。中国基础研究还远达不到国际先进企业水平,想在国际技术潮流中捡漏,无异于异想天开。钛酸锂电池未来市场空间将十分有限。汽车产业基本没有空间,未来汽车产业的空间将比现在还小。储能领域可以尝试,但也绝对不会成为主流,再加上价格高昂,与未来储能有望用动力电池二次利用的高性价比相比,钛酸锂在储能领域前景也堪忧。

  发展现状

  钛酸锂电池为何没有成为主流_钛酸锂电池优缺点详解

  尽管钛酸锂电池还存在一些不足,但它在安全性能、充放电以及循环寿命等方面的显著优势,直指当今市面上其它类型动力电池的痛点。目前,国内从事研发钛酸锂电池的企业有银隆、微宏动力等,随着这些企业对钛酸锂研发力度的加大,一些技术难题也将会被陆续突破。

  据了解,已掌握钛酸锂核心技术的银隆,其所研发的第四代高能量密度钛酸锂电池,与第三代相比成本下降40%,能量密度提高60%。银隆还掌握了氢钛研发这一核心技术,该技术将有效解决电池能量密度的问题,目前,银隆不仅在北京、石家庄、邯郸、珠海等国内30多个城市实现产品的成功运营,还顺利进入了美国、德国、法国等海外市场。2015年,银隆全年销售订单近7000辆。据了解,未来银隆还将通过钛酸锂电池和燃料电池的结合,解决新能源汽车续航里程短的难题。

  微宏动力多年来也一直专注于锂离子动力电池核心材料的研发,并将钛酸锂电池的研发作为其主要战略方向。2011年,微宏动力投入了国内第一条快充公交线路,到2015年实现年销售额15亿元。经过多年研究,微宏动力选择了能承受快充大电流、具有尖晶石结构的钛酸锂多孔复合碳做负极材料,在2013年发布了第二代快充电池LpCO锂电池,为了避免快充时高功率电流对电池安全性造成的威胁,结合了不燃烧电解液、高孔隙率高透气性隔膜技术以及STL智能热控流体技术,来提升充电的安全性。2016年6月9日,在由英国《金融时报》举办的“转型创新商业奖”的颁奖典礼上,微宏动力荣获了“低碳城市转型创新成就奖”及“转型创新商业卓越奖”,成为入选该典礼的唯一一家中国企业。

  尽管外界对钛酸锂电池的争论仍未停止,但争议并非坏事。让不同的声音充分表达出来,真理才能越辩越明。尽管对钛酸锂电池的争议在某种程度上会影响市场和消费者对钛酸锂电池的信心,也可能会影响投资决定,但从钛酸锂电池所具备的五大优势、未来钛酸锂电池技术方面的持续突破,以及银隆、微宏动力等企业在钛酸锂配套汽车方面的运营经验可以判断,未来钛酸锂电池或将会成为新能源汽车电池技术的一股“有生力量”。

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