鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：5557次 | 2022年10月25日
鈦酸鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)，國內(nèi)的鈦酸鋰電池質(zhì)量如何？
近年來，鈦酸鋰離子電池可謂是風(fēng)頭出盡，特別是在得到董明珠的熱捧之后，一下子就從無人問津的草根，變成了聚光燈下的白富美。那么，如此奇妙的鈦酸鋰離子電池究有何魅力，為甚么如今人們對(duì)他仍然爭議頗多，今天賢集網(wǎng)小編就帶著大家一起去揭開鈦酸鋰離子電池的深?yuàn)W面紗，一探鈦酸鋰離子電池優(yōu)缺何在，順便談?wù)勀壳?strong>國內(nèi)的鈦酸鋰離子電池質(zhì)量到底怎么樣。
一、什么是鈦酸鋰離子電池
鈦酸鋰離子電池是一種用作鋰離子電池負(fù)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(fù)極組成1.5V的鋰二次電池。
由于鈦酸鋰的高安全性、高穩(wěn)定性、長壽命和綠色環(huán)保的特點(diǎn)。鈦酸鋰材料有望在將來幾年成為新一代鋰離子電池的負(fù)極材料而被廣泛使用在新能源汽車、電動(dòng)摩托車和要求高安全性、高穩(wěn)定性和長周期的使用范疇。鈦酸鋰離子電池工作電壓2.4V，最高電壓3.0V，充電電流大于2C（即電池容量值的2倍的電流）。
二、鈦酸鋰離子電池優(yōu)缺點(diǎn)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鈦酸鋰離子電池優(yōu)勢(shì)：
作為動(dòng)力鋰電池，消費(fèi)者最關(guān)心的問題重要聚集于安全穩(wěn)定性、循環(huán)壽命、耐寬溫性、充電速度和能量密度這五大關(guān)鍵指標(biāo)。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，惟有各項(xiàng)性能指標(biāo)均衡的電池，才能適應(yīng)更廣泛的運(yùn)行環(huán)境，并在確保用戶使用安全的同時(shí)，降低使用成本，提升使用效率，從而成為市場(chǎng)的主流。同傳統(tǒng)的錳酸鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池相比，鈦酸鋰離子電池在這些方面有著分明的優(yōu)點(diǎn)。
1、安全穩(wěn)定性好。
傳統(tǒng)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(fā)生反應(yīng)會(huì)萌生可燃性氣體，帶來安全隱患。鈦酸鋰的電勢(shì)比純金屬鋰的電勢(shì)高，不易萌生鋰晶枝，放電電壓平穩(wěn)，而且，因此提高了鋰離子電池的安全性能。曾有第三方機(jī)構(gòu)對(duì)鈦酸鋰離子電池進(jìn)行探測(cè)發(fā)現(xiàn)，在針刺、擠壓、短路等嚴(yán)苛探測(cè)下，不冒煙、不起火、不爆炸，安全性遠(yuǎn)高于其他鋰離子電池。因此也有很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為鈦酸鋰十分適合用在對(duì)電池穩(wěn)定性要求極高的等范疇。
電動(dòng)汽車的安全穩(wěn)定性能是消費(fèi)者最為關(guān)注的指標(biāo)，無論續(xù)航里程多遠(yuǎn)，假如不能處理安全問題，消費(fèi)者開的不過是一輛裝著不按時(shí)炸彈的車子，而鈦酸鋰離子電池的超安全性能無疑將會(huì)受到消費(fèi)者的酷愛。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
2、快充性能優(yōu)異。
與碳負(fù)極材料相比，鈦酸鋰具有較高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，可高倍率充放電。在大大縮短充電時(shí)間的同時(shí)，對(duì)循環(huán)壽命的影響較小，熱穩(wěn)定性也較強(qiáng)。據(jù)探測(cè)，最新技術(shù)研發(fā)的鈦酸鋰離子電池十分鐘左右即可洋溢，比傳統(tǒng)的電池有了質(zhì)的飛躍。
充電時(shí)間太長一直是電動(dòng)汽車發(fā)展過程中難以跨過的障礙。一般采用慢充的純電動(dòng)公交車，充電時(shí)間至少要4個(gè)小時(shí)以上，很多純電動(dòng)乘用車的充電時(shí)間更是長達(dá)8個(gè)小時(shí)。電動(dòng)汽車輛的快速充電是將來的趨勢(shì)，消費(fèi)者不愿浪費(fèi)太多時(shí)間在等待充電這個(gè)環(huán)節(jié)。
3、循環(huán)壽命長。
電池循環(huán)壽命決定整個(gè)新能源車的性價(jià)比，是將來新能源車脫離補(bǔ)貼政策后的重要競爭點(diǎn)。汽車電池循環(huán)壽命的延長，讓消費(fèi)者能夠買得起、養(yǎng)得起。
其他的傳統(tǒng)鋰離子電池，比如磷酸鐵鋰離子電池，在使用過程中會(huì)出現(xiàn)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，還新增了電池更換成本。這種不佳的使用體驗(yàn)，很可能讓消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車望而卻步，從而不利于新能源汽車行業(yè)的可繼續(xù)發(fā)展。鈦酸鋰離子電池則很好地處理了這些問題。
鈦酸鋰離子電池在充放電時(shí)，鋰離子嵌入和脫嵌不會(huì)造成鈦酸鋰晶型結(jié)構(gòu)的變化，因此對(duì)鈦酸鋰材料的結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。正因如此，鈦酸鋰也被稱為“零應(yīng)變材料”。鈦酸鋰離子電池與當(dāng)前“慢充最多使用5年、快充最多使用2年”的磷酸鐵鋰離子電池相比，優(yōu)點(diǎn)十分突出。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定，一般電池循環(huán)使用壽命均勻?yàn)?000次，而鈦酸鋰離子電池完全充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)3萬次以上，在作為動(dòng)力鋰電池使用10年之后，可能還能作為儲(chǔ)能電池再用20年。這也意味著，鈦酸鋰離子電池可以做到與車輛同生命周期，用戶在實(shí)際使用中不用更換電池，幾乎不新增后期成本。
4、耐寬溫性能良好。
鈦酸鋰離子電池的尖晶石結(jié)構(gòu)具有三維鋰離子擴(kuò)散通道，因此鈦酸鋰離子電池在高低溫性能上的表現(xiàn)也十分優(yōu)異。一般電動(dòng)汽車在零下10℃時(shí)充放電就會(huì)出現(xiàn)問題，鈦酸鋰離子電池耐寬溫性能良好，耐用性強(qiáng)，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(huì)因電池“休克”而影響工作，消除了用戶的后顧之憂。
鈦酸鋰離子電池的這些優(yōu)點(diǎn)，能大幅節(jié)省充電站場(chǎng)地建設(shè)和人員配置成本等，更適合在公交范疇的推廣使用，而公交系統(tǒng)正是我國新能源客車推廣使用的“主戰(zhàn)場(chǎng)”。來自目前推廣使用新能源車比例最高的公交市場(chǎng)的反饋顯示，快充方式更加適合當(dāng)前公交市場(chǎng)的實(shí)際需求。河北邯鄲一家公交公司使用鈦酸鋰離子電池的新能源公交車運(yùn)營已有兩年多時(shí)間，其相關(guān)負(fù)責(zé)人的體會(huì)是：“一輛車快充6-10分鐘就可以洋溢，駕駛員換班休息的間隙就能充好。”
鈦酸鋰離子電池缺點(diǎn)：
1、比容量比其他的金屬基材料低很多。理論容量175mAh/g。
鈦酸鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)分明，其不足之處也很分明，比如能量密度相對(duì)較低，續(xù)航能力弱。經(jīng)探測(cè)，鈦酸鋰的克容量為160-170mAh/g，惟有傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料的一半，對(duì)鋰電位為1.5V，這會(huì)極大損失能量密度。
2、導(dǎo)電性差，大電流放電極化比較嚴(yán)重，因而高倍率下性能不佳。
3、作為電池材料其振實(shí)密度比較低，單位體積的容量較小。
4、鋰元素的利用率低，電池成本過高。
鋰離子電池的充放電靠鋰離子來回遷移完成，不同電池體系的鋰離子電池每安時(shí)消耗的鋰元素是相同的，所以電池體系能量密度越高，鋰元素的利用率越高，而鈦酸鋰離子電池的能量密度不到磷酸鐵鋰離子電池的一半，其鋰元素的利用率也不到磷酸鐵鋰離子電池的一半，這不僅造成了鋰資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也導(dǎo)致鈦酸鋰離子電池物料成本居高不下。此外，鈦的成本較高，鈦酸鋰工藝等問題也亟需處理。目前三元-鈦酸鋰離子電池的成本約莫是三元-石墨電池的2-3倍，高昂的成本限制了鈦酸鋰離子電池裝車時(shí)的用量，這是該技術(shù)路線的客觀短板。
三、國內(nèi)的鈦酸鋰離子電池質(zhì)量如何
國內(nèi)目前在鈦酸鋰離子電池加工方面已有多家，如湖州微宏、珠海銀隆、深圳博磊達(dá)、天津市捷威動(dòng)力工業(yè)有限公司、四川興能、中信國安盟固利電源技術(shù)有限公司、湖南杉杉及安徽和深圳周邊的多家規(guī)模較小的鈦酸鋰離子電池加廠家。
湖州微宏自2006年成立以來一直致力于鈦酸鋰技術(shù)開發(fā)。公司對(duì)其鈦酸鋰離子電池加工要的鈦酸鋰材料、隔膜、電解液以及正極材料進(jìn)行了垂直整合。近年來為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，湖州微宏具備了日產(chǎn)8萬只10Ah的鈦酸鋰離子電池產(chǎn)品的產(chǎn)量以及2倍于的鈦酸鋰離子電池的多元正極鋰離子電池產(chǎn)品的產(chǎn)量。
截至2014年底，湖州微宏的10分鐘快速充電電池系統(tǒng)已裝備了超過3000輛混合動(dòng)力為主的電動(dòng)大巴，重要銷往英國、荷蘭及我國重慶等地。在儲(chǔ)能市場(chǎng)方面，湖州微宏分別在美國的佛蒙特州及我國重慶安裝了用于電網(wǎng)調(diào)頻及電網(wǎng)需求管理的鈦酸鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
珠海銀隆目前量產(chǎn)的鈦酸鋰離子電池產(chǎn)品有20Ah和65Ah軟包電池以及25Ah、30Ah和55Ah圓柱電池，性能指標(biāo)已達(dá)到美國奧鈦加工的鈦酸鋰離子電池。電池100%DOD的循環(huán)次數(shù)超過16000次，10%DOD則達(dá)到160萬次。這幾款電池均已通過北方汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)鑒定實(shí)驗(yàn)所(201所)的第三方測(cè)試。
在使用方面，銀隆新型純電動(dòng)公交車使用了圓柱形、壽命長、充放電快的鈦酸鋰離子電池，續(xù)航里程可達(dá)30～80km,快速充電只需6～10分鐘，也可用夜間谷電慢充30～60分鐘洋溢。該系列車型已經(jīng)成功地投放于廣東湛江、河北邯鄲、石家莊等地公交系統(tǒng)。
銀隆專為北京公交設(shè)計(jì)開發(fā)的仿古鐺鐺車于2014年九月投入商業(yè)化運(yùn)營。該車還被指定為北京APEC會(huì)議的官方指定用車。在儲(chǔ)能市場(chǎng)，銀隆分別與國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)合作承擔(dān)了儲(chǔ)能方面的863國家項(xiàng)目，為張北風(fēng)光儲(chǔ)輸示范站和深圳寶清電池儲(chǔ)能站分別供應(yīng)了2個(gè)2MWh和1個(gè)600kWh鈦酸鋰系統(tǒng)的部分模塊、電池箱設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)處理方法。
深圳博磊達(dá)通過神奇的材料解決辦法，可以制備得到性能良好的Li4Ti5O12材料，并通過技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，從鈦酸鋰離子電池的加工工藝提升出發(fā)，高性能Li4Ti5O12的設(shè)計(jì)和制備已經(jīng)取得重大進(jìn)展，目前量產(chǎn)的產(chǎn)品有17Ah、20Ah和25Ah圓柱電池，處理了鈦酸鋰離子電池容易脹氣的問題，獲得了高性能的鈦酸鋰離子電池產(chǎn)品，并取得了權(quán)威的第三方測(cè)試報(bào)告。
博磊達(dá)公司從高功率Li4Ti5O12電極材料設(shè)計(jì)入手，研究Li4Ti5O12材料界面副反應(yīng)揭示產(chǎn)氣機(jī)理和處理機(jī)制對(duì)Li4Ti5O12電極材料在動(dòng)力鋰電池中的規(guī)模化使用并取得了重大沖破。
天津捷威得到了美國奧鈦的鈦酸鋰離子電池加工技術(shù)轉(zhuǎn)讓，并結(jié)合自己多年來在聚合物軟包動(dòng)力鋰電池加工方面的技術(shù)積累而獨(dú)居特色。公司成功地沖破了脹氣難題，已具備批量加工大規(guī)格單體鈦酸鋰離子電池的技術(shù)及能力，電池容量達(dá)到60Ah，累計(jì)出貨量為2000萬Ah。
該電池可以承受10C以上持續(xù)充放電，壽命達(dá)到2萬次以上，溫度范圍為-40～60℃，重要使用于快充大巴和調(diào)頻的儲(chǔ)能電站。
鈦酸鋰離子電池技術(shù)開發(fā)難點(diǎn)及其發(fā)展方向
1、在我國發(fā)展鈦酸鋰離子電池技術(shù)的理由
鈦酸鋰離子電池技術(shù)在我國各種儲(chǔ)能電池中的競爭應(yīng)當(dāng)占有天時(shí)、地利、人和之優(yōu)點(diǎn)。光就使用壽命而言，鈦酸鋰離子電池超長的循環(huán)壽命遠(yuǎn)勝于各類鉛酸蓄電池；其效率、成本及電化學(xué)性能更是優(yōu)于鈉硫與液流釩等電池體系。
鋰電產(chǎn)品歷年來重要市場(chǎng)是便攜式電器如手機(jī)和手提電腦等。我國的手機(jī)與手提電腦的用量雖大，但大部分都不屬國內(nèi)品牌。所以國內(nèi)鋰電廠家在便攜式電器上的鋰電銷售能力輸于日韓產(chǎn)品。
然而，鈦酸鋰技術(shù)的適用市場(chǎng)卻是混合電動(dòng)汽車、特殊工業(yè)使用及儲(chǔ)能使用如調(diào)頻及電網(wǎng)電壓支撐等。這些市場(chǎng)在全世界尚處于起步階段，誰執(zhí)牛耳尚未可知。鈦酸鋰技術(shù)有望成為這些市場(chǎng)中的佼佼者。
我國人口基數(shù)占全世界約1/5。由于人口眾多，我國的電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能及工業(yè)使用市場(chǎng)是一個(gè)讓許多國家的跨國公司所垂涎的巨大市場(chǎng)。近年來我國政府對(duì)電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度重視，各類國家鼓勵(lì)政策紛紛出臺(tái)。我國產(chǎn)的鈦酸鋰離子電池系統(tǒng)在重慶及歐洲的混合電動(dòng)大巴、張北的風(fēng)光儲(chǔ)示范站及深圳寶清儲(chǔ)能電站已有了幾年的商業(yè)化使用數(shù)據(jù)積累。
另外，我國鋰電產(chǎn)業(yè)鏈的上下游早已成氣候，除了完備的電池材料供應(yīng)與設(shè)備制造能力之外，鋰離子電池產(chǎn)品的加工能力也與日、韓三分天下。這就使得我國的鋰電加廠家從傳統(tǒng)鋰電加工轉(zhuǎn)型到鈦酸鋰離子電池產(chǎn)品加工具備了先天的條件。
我國在鈦酸鋰材料加工方面早已有了像四川興能、珠海銀隆、湖州微宏等既有實(shí)力又有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的公司。在鈦酸鋰離子電池加工方面脫穎而出的代表公司有湖州微宏、珠海銀隆、深圳博磊達(dá)、天津捷威等。
這些公司都已經(jīng)在國內(nèi)外電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能市場(chǎng)初步建立了自己的銷售渠道。尤其值得指出的是深圳博磊達(dá)擁有從材料加工到電池制作及系統(tǒng)集成一系列專有技術(shù)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前我國鋰電界尚屬少見的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加廠家。
2、鈦酸鋰材料、電池及電池包制作的瓶頸
既然鈦酸鋰離子電池技術(shù)有諸多其他鋰電無法比擬的優(yōu)越性，那為甚么至今為止在我國能源行業(yè)乃至世界能源范疇使用寥寥呢？原由有以下3個(gè)方面：
①鈦酸鋰材料加工鈦酸鋰材料的加工從原則上說并不復(fù)雜。但要用作鋰離子電池的負(fù)極材料，不但要講究材料具有適宜的比表面積、粒度、密度和電化學(xué)性能等，還非得能夠適應(yīng)于大規(guī)模鋰離子電池的加工工藝。鈦酸鋰材料在很多傳統(tǒng)鋰電加工線上無法正常加工的原由之一就是材料的pH為11或12，吸濕性極強(qiáng)。
②鈦酸鋰離子電池制作在事實(shí)上，將常規(guī)鋰離子電池加工線筆直用來加工鈦酸鋰離子電池產(chǎn)品并不像僅僅把石墨換成鈦酸鋰材料那樣簡單。因?yàn)殁佀徜嚥牧蠈?duì)濕度的要求比常規(guī)鋰離子電池加工要高得多。為了控制濕度，有些制備工藝要做相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)鈦酸鋰離子電池產(chǎn)品加工的特殊要求。另外，有些加工設(shè)備也要做相應(yīng)的改進(jìn)。假如有條件的話，最好能專門為鈦酸鋰離子電池產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)一條結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、全關(guān)閉式的自動(dòng)化加工線。
③鈦酸鋰離子電池包與常規(guī)鋰離子電池不同，目前國內(nèi)外加工的鈦酸鋰離子電池在成組投入使用一段時(shí)期后常會(huì)看到軟包的單體電池內(nèi)有微量的氣體萌生。這些氣體與清新電池化成時(shí)萌生的氣體不同。前者能夠通過電池加工工藝來去除。但后者則是在電池使用過程中萌生的，或者說在目前的工藝條件下很難防止。
筆者認(rèn)為，研究循環(huán)時(shí)氣體萌生的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理應(yīng)當(dāng)不失為一個(gè)很好的科研題目。另外，由于鈦酸鋰離子電池技術(shù)的優(yōu)越性之一是其高功率性能。雖然電池本身可以承受大電流充放電，但厚的單體電池依然不適于高功率使用因?yàn)殡姵靥駮?huì)造成大電流萌生的熱量難以散發(fā)。所以對(duì)大功率鈦酸鋰離子電池來說，尺寸大而薄的軟包電池結(jié)構(gòu)仍不失為一個(gè)合理的選擇。
3、鈦酸鋰技術(shù)的今后發(fā)展方向
最后，在此有必要綜合概括一下鈦酸鋰材料作為鋰電負(fù)極的優(yōu)劣勢(shì)，優(yōu)點(diǎn)：超高安全性、超長壽命、高低溫工作范圍寬、高功率、低成本以及綠色環(huán)保。劣勢(shì)：鈦酸鋰材料能量密度低、吸水性強(qiáng)，電池制作的環(huán)境要求高、加工工藝要做相應(yīng)的更新、新工藝要投資必要的設(shè)備與更高要求的濕度控制、以及鈦酸鋰離子電池的使用市場(chǎng)尚未充足打開。
結(jié)語
在當(dāng)前我國政府大力倡導(dǎo)開發(fā)新能源及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大環(huán)境下，要怎么樣推動(dòng)鈦酸鋰離子電池技術(shù)及其在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能市場(chǎng)上的使用對(duì)我國鈦酸鋰離子電池產(chǎn)業(yè)而言是機(jī)不可失，時(shí)不再來。關(guān)于國內(nèi)的珠海銀隆、湖州微宏、深圳博磊達(dá)、四川興能、深圳貝特瑞等擁有一部分自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)點(diǎn)及銷售渠道的公司應(yīng)當(dāng)是得天獨(dú)厚的機(jī)會(huì)。很多人沒有意識(shí)到我國在鈦酸鋰技術(shù)方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)點(diǎn)是目前以磷酸鐵鋰離子電池為主的所謂“主流化學(xué)”所不具備的。
開發(fā)高容量高電位正極材料以提高鈦酸鋰離子電池的能量密度是趕超日韓的一步妙棋。當(dāng)然，同時(shí)非得對(duì)整個(gè)鋰離子電池化學(xué)體系進(jìn)行研究，如高電位電解液和抗氧化隔膜等課題研究。我國鋰電行業(yè)開發(fā)鈦酸鋰離子電池技術(shù)的努力將會(huì)得到正在崛起的電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能及工業(yè)使用市場(chǎng)可觀的回報(bào)。
