介绍钛酸锂电池能够脱颖而出的四大优点

来源：宝鄂实业 2019-07-14 08:59 点击量：次

锂离子电池里的一朵“奇葩”

据了解，储能技术主要分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能等。近几年，以锂离子电池为代表的电化学储能技术具有能量规模大、选址灵活、响应速度快等特点，符合电力系统技术需求和智能电网发展趋势，被各国研究机构作为研究重点，成为发展最快的电力系统储能技术。锂离子电池是一种“摇椅电池”，正负极由两种可多次脱嵌锂的化合物或单质组成。充电时，正极材料脱锂，锂离子进入电解液穿过隔膜嵌入负极，正极发生氧化反应，放电时则相反。

锂离子电池技术随着电池电极材料的研究一直处于快速发展的状态，目前已经从钴酸锂电池拓展到了三元系、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等多种电池体系并存。以钛酸锂为负极的新型锂离子电池，突破了石墨作为负极的固有局限性，性能显著优于传统的锂离子电池，成为最具应用前景的储能电池之一。为此，杨凯向记者介绍了钛酸锂电池能够脱颖而出的四大优点：

安全稳定性好。由于钛酸锂负极材料嵌锂电位高，在充电的过程中避免了金属锂的生成和析出，又因其平衡电位高于绝大部分电解质溶剂的还原电位，不与电解液反应，不形成固—液界面钝化膜，避免了很多副反应的发生，从而大大的提高了安全性。“储能电站和电动汽车一样，安全稳定性是最为重要的指标。”杨凯说。

快充性能优异。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。而钛酸锂电池十分钟左右即可充满，较传统的电池有了质的飞跃。

循环寿命长。与传统锂离子电池普遍采用的石墨材料相比，钛酸锂材料在充放电嵌脱锂过程中，骨架结构几乎不发生收缩或膨胀，被称为“零应变”材料，避免了一般电极材料脱/嵌锂离子时晶胞体积应变而造成的电极结构损坏的问题，因而具有非常优异的循环性能。根据实验数据测定，普通磷酸铁锂电池循环寿命平均为4000—6000次，而钛酸锂电池的循环寿命可达25000次以上。

耐宽温性能良好。一般电动汽车在-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-40℃到70℃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。

正是基于以上这些优势，钛酸锂电池成为锂离子电池技术发展征程上一朵耀眼的“奇葩”。

技术重构降低成本

最初的钛酸锂电池是以满足电动汽车动力电池需求而开发的，虽然国际上先进的钛酸锂电池企业已经开始涉足电力储能领域，但还没有出现专门为规模储能应用设计开发的钛酸锂电池。

“钛酸锂电池在规模应用中面临的主要问题是成本问题，项目研发之初，其价格是磷酸铁锂电池价格的4—6倍。”杨凯说，钛酸锂电池价格居高不下，虽然性能显著优于现有锂离子电池，但是经济性因素极大的限制了钛酸锂电池的市场推广。

因此，钛酸锂电池要实现大规模储能应用，需要在现有的电动汽车用钛酸锂电池的基础上进行技术重构，包括材料体系、电池设计、生产工艺等方面的技术重构，在保证钛酸锂电池长寿命本征特性的同时，大幅降低成本。

“我们不是平地起高楼，而是在电动汽车用钛酸锂电池技术基础之上，以满足储能应用需求为目标，对电动汽车用钛酸锂电池技术进行了技术重构。”杨凯说。

任何技术都不可能面面俱到，只需要找到各项技术指标间的平衡点。

“储能电池对倍率要求并不太高，放电倍率只需达到5C。”杨凯表示，“储能电池一般都放在房间里，温度相对恒定，对温度适应性的要求也不用太高。”“放弃一些性能，选择低成本，成为最重要的选择。”

项目团队对钛酸锂电池进行了成本分析后发现，这种电池成本高的根源在于材料。“钛酸锂电池用的是纳米材料，材料合成工艺和电池制备工艺复杂。”

由于纳米材料吸水性强，因此，生产环节必须要降低环境湿度，加大对厂房的除湿处理，并增加烘干程序，能耗显著增加。对此，项目团队决定在纳米材料上下工夫，他们经过反复试验，最终以低成本亚微米钛酸锂材料取代纳米钛酸锂材料，并以此为基础建立储能用钛酸锂电池材料体系。通过实验，材料粒径在0.8微米时，既能保证长寿命的特点，又能降低生产工艺控制的苛刻条件，从而降低成本。同时，还采用在性能、制造工艺、成本方面都具有优势的叠片式软包装结构取代环形结构和圆柱形结构。

“0.8微米是一个平衡值，粒径再增大些就会影响到电池寿命。”杨凯说。

这是从材料和电池结构的重构来降低电池成本，另一方面则针对匀浆、预涂层集流体、环境控制、电池制作工序等环节进行技术重构，降低电池成本。

“以前在电极材料的匀浆环节中，常规的搅拌工艺是先加溶剂，再烘干，能耗很高。研发团队将这道工艺改为高粘度搅拌工艺，减少溶剂使用量。”杨凯说。

电动汽车需要功能强大、重量轻、价格实惠的电池。最好的选择是商业化的锂离子电池——它们相对紧凑和稳定。但它们仍过于笨重和昂贵，无法广泛使用。

二十年来，可充电锂离子电池的性能稳步提高。容量大小的电池组所储存的能量是原来的三倍多，从每升200瓦时(Wh - 1)增加到700瓦时(Wh - 1)。成本下降了30倍，降至每千瓦时150美元左右。但这仍高于美国能源部设定的每千瓦时100美元的负担能力目标。对于电动汽车(50-100千瓦时)来说，电池足够强大，但仍然重达600公斤左右，占用500升空间。

随着传统技术接近基本极限，技术进步的步伐正在放缓。在电极材料晶体结构的间隙中可以储存的电荷量接近理论最大值。预计的市场增长不会大幅降低价格——市场已经很大了。

研究人员警告说，必须尽快找到钴、镍和其他稀有金属的替代品，以满足电动汽车电池日益增长的需求，因为它们的稀缺正在推高价格：在过去两年中，钴、镍和其他稀有金属的价格翻了两番，从每公斤22美元涨到了每公斤81美元。鉴于生产商偷工减料、违反环保和安全法规，科学家和工程师们被敦促开发廉价、常见的金属，如铁和铜，作为潜在的替代品。

研究人员表示，锂离子电池通过在两个电极之间移动锂离子来工作。从阳极流向阴极的离子放电电流，为汽车提供动力。当电池充电时，锂离子会回流。

在如今用于电动汽车的商用电池中，锂离子被保存在构成电极的晶体中的微小空隙中(这些晶体被称为插层电极)。阳极通常由石墨制成，阴极由金属氧化物制成。用于电极的材料，特别是稀有金属，如钴和镍，既稀有又昂贵。

在我们看来，最有希望的替代方法是在电极中使用转换材料。铜、铁、氟化物和硅与锂离子发生反应。转换阴极中的过渡金属可以容纳比标准阴极多6倍的锂原子。这种材料膨胀得更多，能够容纳更多的锂原子。

如果没有任何变化，20年内需求将超过产量。我们预计钴的价格将在2030年前上涨，镍的价格将在2037年或更早的时候上涨。

汽车制造商和政府预计，到2025年，每年将生产1000万到2000万辆电动汽车。如果每个汽车电池需要10公斤的钴，到2025年，电动汽车每年需要10 - 20万吨的钴——这是世界目前产量的大部分。同样地，每年需要40 - 80万吨镍，占今天所用金属的20-40%。当卡车、公共汽车、飞机和船只改用电池供电时，还需要更多的电力。

到2050年，每年生产5000万到8000万辆电动汽车将需要50万到80万吨钴。到2030年以后，这将远远超过目前的采矿能力。同样，到2050年，镍的需求量将增加2-3倍。到本世纪30年代中期，镍的短缺将很明显。

回收不能补充物资。锂离子电池的使用寿命为15-20年，是铅酸电池5-7年寿命的3倍。炼油厂可能会开采质量较差的矿石，尤其是在价格上涨的情况下。但更高的加工成本将推高价格。一旦供应达到峰值，我们估计电动汽车电池的价格可能会上涨超过1000美元。如果用更少的金属制成阴极，“钴峰值”可能会推迟几年。但是，使用更少钴的阴极材料正在开发中，降解更快，需要更频繁地更换。

综合成本和性能，目前电池负极材料以人造石墨为主，未来将以硅碳负极作为提升锂电池能量的突破口。

电解液：号称锂离子电池的“血液”，承担着运输锂离子的重任，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证，同时也在一定程度上影响锂离子电池的安全性，其成本约占锂离子生产成本的5%-10%。

作用：锂电池电解液是有机溶剂中溶有电解质锂盐的离子型导体，是电池中是离子传输的载体，在电池正负极之间起到传输能量的作用。

组成：电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质、添加剂等材料在一定条件下，按一定比例配置而成。

有机溶剂

常用电解液体系：EC+DMC，EC+DE，,EC+DMC+EMC，EC+DMC+DEC等。

电解质锂盐

常用电解质锂盐：六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiCLO4），从成本、安全性等方面考虑，六氟磷酸锂是目前用的最多的。

添加剂

隔膜

主要作用：将锂离子电池的正、负极隔开，只让电解质的离子通过以防止两极接触而短路。

性能：隔膜性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性。