钛酸锂动力电池的应用

一、我国新能源汽车的产业化现状

 

能源瓶颈和环境污染已成为全球性问题，交通污染已成为中国城市PM2.5等颗粒污染物的来源之一，雾霾天气频频发生，控车治霾的思路被广泛提及。相比限购、限行等限制性行政政策而言，大力推广和发展低排放的新能源汽车，包括纯电动汽车(EV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、燃料电池汽车等，是有效治理污染的重要途径之一，这一观点已成为国际共识。

 

发达国家如美国、日本等纷纷制定了国家计划来推进传统汽车产业的升级。美国出台了一系列新能源计划，将大力发展电动汽车作为实施新能源战略的重要内容。2012年美国启动电动汽车国家创新计划《EV Everywhere》，加大对高性能锂离子电池材料、插电式车辆技术、轻量化技术等关键技术的支持。日本一直将发展清洁能源、可再生能源作为国家战略的重要内容，国家政策对新能源汽车发展始终给予大力支持，计划到2020年普及以电动汽车为主体的下一代汽车。目前日本混合动力电动汽车全球销量第1，其产业化推进纯电驱动电动汽车的进程也是全球最快的。

 

近年来，我国政府采取了一系列措施推广新能源汽车，一方面中央和地方政府相继出台了各种新能源汽车补贴政策鼓励消费者购买电动汽车;另一方面通过制定未来我国汽车燃耗目标倒逼整车企业发展电动汽车，如图1所示。 除了政策指导，我国政府还利用各种机会积极推广新能源汽车的使用。继奥运会和世博会2大盛会之后，近年举办的全国两会、中博会、达沃斯论坛、博鳌论坛等都有新能源汽车示范运行。国内车企也纷纷涉足新能源汽车的研发、生产、示范运行及其产业化进程。比亚迪股份有限公司、奇瑞汽车有限公司、东风汽车公司、长安汽车股份有限公司、上海汽车集团股份有限公司、中国第一汽车集团公司、宇通集团、中通客车控股股份有限公司(简称“中通客车”)和重庆恒通客车有限公司等目前已经成功研发多款轿车及客车等。

 

 

图1 未来中国汽车平均能耗目标

 

在政府一系列利好政策的引导下，我国新能源汽车研发呈现较好的发展局面，各汽车厂商也积极推广新能源汽车，并取得了较好成绩。根据中国汽车工业协会最新发布的数据，2015年1—7月，新能源汽车生产95 530辆，销售89 549辆，同比分别增长2.5倍和2.6倍。7月，新能源汽车销售更是取得了同比增长3.3倍的佳绩。新能源电动汽车市场在不断升温，动力电池也进入高速发展期，据统计，今年上半年动力电池产量达到2.72GWh，较去年上半年的0.94GWh增长近2倍。

 

二、 新能源汽车对动力电池的应用需求

 

动力电池是各种电动车辆的能量载体和动力来源，动力电池的性能直接决定了车辆的性能。新能源汽车用动力电池包含：铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容、燃料电池等。为了满足新能源汽车等技术的应用要求，动力电池需要具有高安全性、高能量密度、高功率性能、优异的循环寿命、工作温度范围广和低成本等特性。新能源汽车包含混合电动汽车 (HEV) 、燃料电池混合电动汽车 (FC-HEV)、插电式混合电动汽车 (PHEV)和纯电动汽车 (EV)等。不同类型的电动汽车对动力蓄电池的要求不同，概述如表1所示。

 

 

表1 不同电动汽车对动力电池的要求

 

从表1中可以看出，锂离子电池的性能几乎可以满足所有类型电动汽车需要，锂离子电池是当前所有可充电电池中综合性能最优的一种电池，也是目前最佳的能应用于插电式混合动力汽车和纯电动汽车的电池。

 

锂离子电池负极材料包含碳负极材料、钛氧化物、锡与碳的复合物、硅的复合物等。目前商业化的锂离子电池的负极材料主要采用碳负极材料。碳负极材料电池有着比能量高、功率性能好等优势，但是碳电极与金属锂的电位接近，当电池过充电时容易在碳电极表面析出金属锂形成锂枝晶，锂枝晶会刺穿隔膜引起短路等安全隐患问题。同时，碳负极电池在首次化成时电极表面还原形成表面膜(SEI膜)，SEI膜的形成和修复过程会消耗电解液，造成不可逆容量加大，电池衰减加剧而影响电池使用寿命。尖晶石结构的钛酸锂负极材料嵌锂电位约1.5V，不会形成锂枝晶，在充放电过程中体积应变小于 1%，并且纳米化的钛酸锂电池具有大电流充放电能力，能够数分钟完成充电，即便是在低温环境条件下快速充电也难以析出锂枝晶，所以钛酸锂电池具有循环寿命长和安全性能优异的特点，可以保障快速充电应用领域电池的耐久性和安全性。因此，以钛酸锂为负极的锂离子电池在电动汽车要求高安全性、高稳定性和长寿命周期的应用领域具有独特的优势。

 

三、 钛酸锂动力电池的产业化

 

2008年东芝报道了4.2Ah SCiB超级锂电池(Super Charge ion Battery)高功率钛酸锂锂离子动力电池，标称电压为2.4V，能量密度约为67.2Wh/kg(131.6Wh/L)。由10个单元串联组成的标准模块能量密度约为50.4 Wh/kg(74.7 Wh/L)。在快速充放电条件下〔25℃，10C(42A)充电，15A放电〕，充放电循环3 000次，容量衰减不到10%。以50A的大电流进行快充，电池单元及标准模块均可在5min充满90%以上的容量。电池还具有良好的低温放电性能，在-30℃仍可放出80%以上的容量。

 

同期美国EnerDel、Altairnano公司也报道了各自研发的钛酸锂动力电池适用于电动车和储能领域。美国EnerDel公司开发的5Ah混合动力车用锂离子电池，正极使用尖晶石锰酸锂(LiMn2O4)材料。电池单元以50C倍率连续放电可以放出1C容量的95%以上，电池的温度仅有34.4℃。在-30℃的条件下，以1C倍率放电仍可放出90%以上的容量。循环寿命方面，在55℃的高温下，即使多次进行100%DOD 5C充放电循环，1 000次循环后仍有95%以上的容量保持率，显示出优异的性能。美国Altair Nanotechnologies公司开发的10Ah高功率锂离子电池，以Li4Ti5O12为负极材料，钴酸锂(LiCoO2)基材料为正极，100%DOD 10C充放电循环寿命更是高达20 000次以上，在50%荷电状态下10s输出功率密度接近5 000W/kg，10s输入功率密度大于4 000W/kg，并且具有优异的低温放电性能，即使在-40℃的低温下，电池的平均电压仍达到2.1V以上，可以放出60%以上的容量。电池的热稳定性能也十分优异，即使在240℃的高温下，将电池储存30min 后不冒烟、不着火、不爆炸。从此以钛酸锂为负极的锂离子动力电池成为国内外公司和科研院所研发的热点。

 

钛酸锂电池的工作电压一般在2.2~2.5V，是碳负极电池工作电压的2/3左右，在比能量相同的情况下，需要钛酸锂电池的数量会多出1/3，因此钛酸锂电池每瓦时的成本稍高。但是考虑10年以上的使用寿命，其长周期使用成本则大大降低。近年来，我国采用钛酸锂电池为动力源的新能源汽车已开始投入运营，钛酸锂电池已实现国产化。已有钛酸锂电池应用报道的国内企业包括湖州微宏动力有限公司(简称“微宏动力”)、中信国安盟固利电源技术有限公司(简称“盟固利”)、珠海银隆新能源有限公司(简称“珠海银隆”)、 安徽天康(集团)股份有限公司(简称“安徽天康”)等，应用于快充型纯电动客车、插电式混合动力客车、双源无轨电车等。

 

2011年微宏动力推出10Ah钛酸锂电池，应用于快充纯电动及混合动力公交车，在重庆经过1年多的运行，行驶5万多千米，充电2 000多次，在重庆山地和44℃高温的考验下，经测试衰减不到1%。

 

2013年盟固利推出8.5Ah钛酸锂电池，单体电池6C充放电循环12 000次容量保持初始容量的90%，电池组的寿命预计将达到80%，15 000次;6C可充入91%容量，12C可充入85%容量。2014年初试运行于北京双源无轨电车，如图2所示。每天充放电约30次，运行一年后随机对电池进行测试，测试数据显示运行一年后电池容量及功率均无衰减，见图3。2014年底盟固利为北京公交集团进一步提供了30套钛酸锂电池系统。

 

图2 盟固利为北京公交集团提供的钛酸锂电池及运行车辆

 

图3 运行一年后盟固利钛酸锂电池容量和功率曲线

 

珠海银隆于2010年收购了掌握先进钛酸锂电池技术的Altair Nanotechnologies公司51%的股份，开始投产钛酸锂电池，主要产品是180Ah的环形电池和45Ah的圆柱电池，应用于储能和电动汽车领域。据报道2014年底在珠海投放了500辆纯电动公交车。

 

当前国内钛酸锂电池性能与国外差距不大，钛酸锂电池具有快速充电、长寿命、高安全和良好的低温特性等优点，用于新能源汽车领域正逐渐获得青睐。北汽福田汽车股份有限公司、中通客车、金龙联合汽车工业(苏州)有限公司、厦门金龙汽车集团股份有限公司、安徽安凯汽车股份有限公司、宁波南车时代传感技术有限公司等多家主流客车厂已相继推出钛酸锂动力电池的新能源客车。

 

四、钛酸锂动力电池的应用前景

 

据国家发展改革委介绍，2015年力争在北京六环内建成平均服务半径为5kg的充电网络，下一步将重点在社会公共停车场和京津冀高速路服务区等领域建充电桩。届时，钛酸锂电池的快充优势将得到充分发挥，并且未来充电网络的大面积覆盖使装有钛酸锂电池的电动车能随时、随地充电，人们会渐渐淡化对钛酸锂电池能量密度的要求。随着今后补贴政策的逐年递减，相信未来单次循环成本较低、安全可靠的钛酸锂动力电池会被广泛应用成为电池领域的佼佼者。

 

除了新能源汽车领域，钛酸锂电池在储能和轨道交通领域也将体现应用优势。2014年10月，东芝公司宣布从电力服务公司ENERES接到了1万台输出功率10kW、容量9.9kWh的蓄电池池系统订单。2014年11月，东芝宣布将向日本东北电力公司实施的“西仙台变电站频率变动对策蓄电池系统实证项目”提供输出功率为40MW的蓄电系统，容量为20MW时，采用20Ah电池单元SCiB。蓄电系统用于应对输出功率随气象条件变化的风力发电和光伏发电的频率变动。

 

在轨道交通领域2014年12月，东芝对外宣称该公司已经向东武铁道株式会社供应牵引式储能系统(TESS)。列车驶入车站时，TESS会储存列车减速产生的牵引能，并在加速驶离车站时释放。我国2014年中信国安盟固利为长客动车提供了钛酸锂电池系统作为动力辅助电源。在中国东北高寒地区运行，使用工况为9C充电，10C放电，当列车驶入车站时，电池系统回收列车减速产生的牵引能，加速驶离车站时释放电能。考虑到动车对电池的低温性能、安全性和寿命作为主要要求指标，钛酸锂电池或将成为动车启动和备用电源的最合适选择。