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2018年8月15日 星期三

NEW GRAPHENE BATTERIES OR THE NEW EXISTING LITHIUM TITANATE BATTERIES



來源: OFweek锂电网


押宝钛酸锂命悬一线  储能或将成为珠海银隆的救命稻草
鈦酸鋰電池快充大巴車

鈦酸鋰電池也被業內人士普遍認為,並不適合未來電動汽車發展的方向,那麼,是不是鈦酸鋰電池就沒有用武之地了呢?

雖然鈦酸鋰電池能量密度不夠的硬傷,與電動汽車更長續航里程的要求背道而馳,但是憑借超長的循環壽命,和優秀的安全性能,儲能市場卻能成為其極具前景的領域。

在各種類型的電化學儲能技術中,鈦酸鋰電池具有循環壽命長、安全性能好等特點,很好的契合了電網儲能的應用場景,但目前來看,較高的應用成本成為阻礙鈦酸鋰電池,在儲能領域規模化推廣的主要障礙。

鈦酸鋰電池的特性更適合儲能領域
據瞭解,儲能技術主要分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能等。

近幾年,以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術,具有能量規模大、選址靈活、響應速度快等特點,符合電力系統技術需求,和智慧電網發展趨勢,被各國研究機構作為研究重點,成為發展最快的電力系統儲能技術。

鋰離子電池技術隨著電池電極材料的研究,一直處於快速發展的狀態,目前已經從鈷酸鋰電池拓展到了三元系、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等多種電池體系並存。

以鈦酸鋰為負極的新型鋰離子電池,突破了石墨作為負極的固有局限性,性能顯著優於傳統的鋰離子電池,成為最具應用前景的儲能電池之一。


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安全穩定性好。由於鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位高,在充電的過程中避免了金屬鋰的生成和析出,又因其平衡電位高於絕大部分電解質溶劑的還原電位,不與電解液反應,不形成固—液界面鈍化膜,避免了很多副反應的發生,從而大大的提高了安全性。中國電力科學研究院儲能電池本體研究室主任楊凱認為,儲能電站和電動汽車一樣,安全穩定性是最為重要的指標。

快充性能優異。充電時間太長一直是電動汽車發展過程中難以跨越的障礙。一般採用慢充的純電動公交車,充電時間至少要4個小時以上,很多純電動乘用車的充電時間更是長達8個小時。而鈦酸鋰電池十分鐘左右即可充滿,較傳統的電池有了質的飛躍。

循環壽命長。與傳統鋰離子電池普遍採用的石墨材料相比,鈦酸鋰材料在充放電嵌脫鋰過程中,骨架結構幾乎不發生收縮或膨脹,被稱為「零應變」材料,避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時,晶胞體積應變而造成的電極結構損壞的問題,因而具有非常優異的循環性能。

根據實驗數據測定,普通磷酸鐵鋰電池循環壽命,平均為4000—6000次,而鈦酸鋰電池的循環壽命可達25000次以上。

耐寬溫性能良好。一般電動汽車在-10℃時充放電,就會出現問題,鈦酸鋰電池耐寬溫性能良好,耐用性強,在–40℃到70℃均可正常充放電,無論是在冰封的北國,還是在炎熱的南方,車輛都不會因電池「休克」而影響工作,消除了用戶的後顧之憂,這一特性用在儲能領域也更為合適。

技術重構降低成本
擁有安全穩定性好、快充性能優異、循環壽命長、耐寬溫性能良好等諸多優點鈦酸鋰電池,卻因為比能量密度低和成本高,這兩大特性,影響到其在電動汽車領域的應用前景。

最初的鈦酸鋰電池是以,滿足電動汽車動力電池需求而開發的,雖然國際上先進的鈦酸鋰電池企業,已經開始涉足電力儲能領域,但還沒有出現專門為規模儲能應用設計,開發的鈦酸鋰電池。

「鈦酸鋰電池在規模應用中,面臨的主要問題是成本問題,項目研發之初,其價格是磷酸鐵鋰電池價格的4–6倍。」 對岸中國電力科學研究院儲能電池本體研究室主任楊凱認為,鈦酸鋰電池價格居高不下,雖然性能顯著優於現有鋰離子電池,但是經濟性因素極大的,限制了鈦酸鋰電池的市場推廣。

因此,鈦酸鋰電池要實現大規模儲能應用,需要在現有的電動汽車用鈦酸鋰電池的基礎上進行技術重構,包括材料體系、電池設計、生產技術等方面的技術重構,在保證鈦酸鋰電池長壽命本徵特性的同時,大幅降低成本,從而滿足儲能應用需求為目標。

任何技術都不可能面面俱到,只需要找到各項技術指標間的平衡點。

「儲能電池對倍率要求並不太高,放電倍率只需達到5C。」楊凱表示,「儲能電池一般都放在房間裡,溫度相對恆定,對溫度適應性的要求也不用太高,放棄一些性能,選擇低成本,成為最重要的選擇。」

中國電力科學研究院的項目團隊,對鈦酸鋰電池進行了成本分析後發現,這種電池成本高的根源在於材料。「鈦酸鋰電池用的是納米材料,材料合成技術和電池制備技術過程複雜。」

由於奈米材料吸水性強,因此,生產環節必須要降低環境濕度,加大對廠房的除濕處理,並增加烘乾程序,能耗顯著增加。對此,項目團隊決定在奈米材料上下工夫,他們經過反覆試驗,最終以低成本亞微米鈦酸鋰材料,取代奈米鈦酸鋰材料,並以此為基礎,建立儲能用鈦酸鋰電池材料體系。

透過實驗,材料粒徑在0.8微米時,既能保證長壽命的特點,又能降低生產技術控制的苛刻條件,從而降低成本。同時,還採用在性能、製造技術、成本方面,都具有優勢的疊片式軟包裝結構,取代環形結構和圓柱形結構。

這是從材料和電池結構的重構,來降低電池成本,另一方面則針對勻漿、預塗層集流體、環境控制、電池製作工序等環節,進行技術重構,降低電池成本。

在電極製作環節,該項目團隊將進口預塗層集流體,改為自主研發的預塗層集流體;在電池製作工序上,取消了塗布前卷料烘乾,和注液前電芯烘乾,兩個烘乾工序。

在電池製作的環境控制環節,將環境濕度由10%放寬到30%。「奈米材料一般濕度要控制在10%以下,磷酸鐵鋰則為30%,我們用亞微米材料在30%的濕度環境下製作電池,發現電池壽命幾乎沒受影響。」楊凱說,「經過測試,鈦酸鋰電池的循環壽命超過16000次,電池成本下降了30%。」

鈦酸鋰電池會成為儲能的下一個風口嗎?
值得注意的是,鈦酸鋰電池單體的關鍵制備技術,在2017年,已經有明顯突破,一批成品電池(不是銀隆)使用甚少使用的軟包技術,這意味著已經解決了電池鼓包、脹氣、電池致密性等一系列問題,相對於硬質金屬殼包裝,軟包單體在能量密度上更上一層樓。

既往鈦酸鋰電池單體多用硬殼,究其原因就是因為難以解決技術流程中的諸多問題,導致電池在使用過程中出現鼓包脹氣,電池的容量不穩定。

解決軟包關鍵技術後,預計今年的能量密度,躍升到穩定的120wh以上,與磷酸鐵鋰平齊,實驗室環境可能更高。


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隨著鈦酸鋰電池在儲能領域的應用前景逐漸明朗,越來越多的企業開始加入進來,今年4月,上海電氣與國軒高科成立的合資企業,專門做儲能的鈦酸鋰電池的項目。這個合資企業今年產線計劃正式投產。

若成本問題得以解決,鈦酸鋰電池勢必會成為儲能,這個風口中極具競爭力的一款電池產品。作為未來推動新能源產業發展的前瞻性技術,儲能產業在新能源並網、新能源汽車、智慧電網、微電網、分布式能源系統、家庭儲能系統等方面,都將發揮巨大作用。

截至目前,中國電力科學研究院的項目團隊相關研究成果,除了在「國家風光儲輸示範工程」項目中得到應用外,對於在北京—張家口舉辦的2022年冬奧會,以及北京電動汽車產業的發展,也將發揮重要作用。

而越來越多的公司開始意識到,鈦酸鋰電池在儲能市場的應用前景,今年4月,上海電氣與國軒高科成立的合資企業,專門做儲能的鈦酸鋰電池的項目,該合資企業今年產線,計劃正式投產。若能向儲能市場轉向,降低鈦酸鋰電池的成本,搖搖欲墜的珠海銀隆或許還有一線生機。




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