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鈦酸鋰動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及前景
一、我國新動(dòng)力轎車的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
動(dòng)力瓶頸和環(huán)境污染已成為全球性問題，交通污染已成為我國城市PM2.5等顆粒污染物的來歷之一，霧霾天氣頻頻發(fā)生，控車治霾的思路被廣泛提及。相比限購、限行等限制性行政方針而言，大力推廣和開展低排放的新動(dòng)力轎車，包括純電動(dòng)轎車(EV)、插電式混合動(dòng)力轎車(PHEV)、燃料電池轎車等，是有用治理污染的重要途徑之一，這一觀點(diǎn)已成為國際共識。
發(fā)達(dá)國家如美國、日本等紛繁擬定了國家方案來推進(jìn)傳統(tǒng)轎車產(chǎn)業(yè)的升級。美國出臺了一系列新動(dòng)力方案，將大力開展電動(dòng)轎車作為實(shí)施新動(dòng)力戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。2012年美國發(fā)動(dòng)電動(dòng)轎車國家立異方案《EVEverywhere》，加大對高功能鋰離子電池資料、插電式車輛技能、輕量化技能等關(guān)鍵技能的支撐。日本一向?qū)㈤_展清潔動(dòng)力、可再生動(dòng)力作為國家戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，國家方針對新動(dòng)力轎車開展一直給予大力支撐，方案到2020年遍及以電動(dòng)轎車為主體的下一代轎車。目前日本混合動(dòng)力電動(dòng)轎車全球銷量第1，其產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)純電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)轎車的進(jìn)程也是全球最快的。
近年來，我國政府采取了一系列措施推廣新動(dòng)力轎車，一方面中央和地方政府相繼出臺了各種新動(dòng)力轎車補(bǔ)貼方針鼓勵(lì)消費(fèi)者購買電動(dòng)轎車;另一方面通過擬定未來我國轎車燃耗方針倒逼整車企業(yè)開展電動(dòng)轎車，如圖1所示。除了方針輔導(dǎo)，我國政府還利用各種機(jī)會活躍推廣新動(dòng)力轎車的運(yùn)用。繼奧運(yùn)會和世博會2大盛會之后，近年舉辦的全國兩會、中博會、達(dá)沃斯論壇、博鰲論壇等都有新動(dòng)力轎車演示運(yùn)轉(zhuǎn)。國內(nèi)車企也紛繁進(jìn)入新動(dòng)力轎車的研制、出產(chǎn)、演示運(yùn)轉(zhuǎn)及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。比亞迪股份有限公司、奇瑞轎車有限公司、東風(fēng)轎車公司、長安轎車股份有限公司、上海轎車集團(tuán)股份有限公司、我國榜首轎車集團(tuán)公司、宇通集團(tuán)、中通客車控股股份有限公司(簡稱“中通客車”)和重慶恒通客車有限公司等目前現(xiàn)已成功研制多款轎車及客車等。
在政府一系列利好方針的引導(dǎo)下，我國新動(dòng)力轎車研制出現(xiàn)較好的開展局面，各轎車廠商也活躍推廣新動(dòng)力轎車，并取得了較好成績。依據(jù)我國轎車工業(yè)協(xié)會最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，2015年1—7月，新動(dòng)力轎車出產(chǎn)95530輛，出售89549輛，同比別離增長2.5倍和2.6倍。7月，新動(dòng)力轎車出售更是取得了同比增長3.3倍的佳績。新動(dòng)力電動(dòng)轎車市場在不斷升溫，動(dòng)力電池也進(jìn)入高速開展期，據(jù)統(tǒng)計(jì)，今年上半年動(dòng)力電池產(chǎn)值到達(dá)2.72GWh，較去年上半年的0.94GWh增長近2倍。
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%
二、新動(dòng)力轎車對動(dòng)力電池的運(yùn)用需求
動(dòng)力電池是各種電動(dòng)車輛的能量載體和動(dòng)力來歷，動(dòng)力電池的功能直接決議了車輛的功能。新動(dòng)力轎車用動(dòng)力電池包括：鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、超級電容、燃料電池等。為了滿意新動(dòng)力轎車等技能的運(yùn)用要求，動(dòng)力電池需求具有高安全性、高能量密度、高功率功能、優(yōu)異的循環(huán)壽數(shù)、作業(yè)溫度規(guī)模廣和低本錢等特性。新動(dòng)力轎車包括混合電動(dòng)轎車(HEV)、燃料電池混合電動(dòng)轎車(FC-HEV)、插電式混合電動(dòng)轎車(PHEV)和純電動(dòng)轎車(EV)等。不同類型的電動(dòng)轎車對動(dòng)力蓄電池的要求不同，概述如表1所示。
從表1中能夠看出，鋰離子電池的功能幾乎能夠滿意一切類型電動(dòng)轎車需求，鋰離子電池是當(dāng)時(shí)一切可充電電池中綜合功能最優(yōu)的一種電池，也是目前最佳的能運(yùn)用于插電式混合動(dòng)力轎車和純電動(dòng)轎車的電池。
鋰離子電池負(fù)極資料包括碳負(fù)極資料、鈦氧化物、錫與碳的復(fù)合物、硅的復(fù)合物等。目前商業(yè)化的鋰離子電池的負(fù)極資料主要選用碳負(fù)極資料。碳負(fù)極資料電池有著比能量高、功率功能好等優(yōu)勢，可是碳電極與金屬鋰的電位挨近，當(dāng)電池過充電時(shí)容易在碳電極表面分出金屬鋰構(gòu)成鋰枝晶，鋰枝晶會刺穿隔閡引起短路等安全隱患問題。一起，碳負(fù)極電池在首次化成時(shí)電極表面還原構(gòu)成表面膜(SEI膜)，SEI膜的構(gòu)成和修復(fù)過程會消耗電解液，造成不可逆容量加大，電池衰減加重而影響電池運(yùn)用壽數(shù)。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極資料嵌鋰電位約1.5V，不會構(gòu)成鋰枝晶，在充放電過程中體積應(yīng)變小于1%，而且納米化的鈦酸鋰電池具有大電流充放電才能，能夠數(shù)分鐘完成充電，即便是在低溫環(huán)境條件下快速充電也難以分出鋰枝晶，所以鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽數(shù)長和安全功能優(yōu)異的特點(diǎn)，能夠保障快速充電運(yùn)用范疇電池的耐久性和安全性。因此，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池在電動(dòng)轎車要求高安全性、高穩(wěn)定性和長壽數(shù)周期的運(yùn)用范疇具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
三、鈦酸鋰動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化
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：勘探測繪、無人設(shè)備
2008年東芝報(bào)道了4.2AhSCiB超級鋰電池(SuperChargeionBattery)高功率鈦酸鋰鋰離子動(dòng)力電池，標(biāo)稱電壓為2.4V，能量密度約為67.2Wh/kg(131.6Wh/L)。由10個(gè)單元串聯(lián)組成的規(guī)范模塊能量密度約為50.4Wh/kg(74.7Wh/L)。在快速充放電條件下〔25℃，10C(42A)充電，15A放電〕，充放電循環(huán)3000次，容量衰減不到10%。以50A的大電流進(jìn)行快充，電池單元及規(guī)范模塊均可在5min充溢90%以上的容量。電池還具有杰出的低溫放電功能，在-30℃仍可放出80%以上的容量。
同期美國EnerDel、Altairnano公司也報(bào)道了各自研制的鈦酸鋰動(dòng)力電池適用于電動(dòng)車和儲能范疇。美國EnerDel公司開發(fā)的5Ah混合動(dòng)力車用鋰離子電池，正極運(yùn)用尖晶石錳酸鋰(LiMn2O4)資料。電池單元以50C倍率連續(xù)放電能夠放出1C容量的95%以上，電池的溫度僅有34.4℃。在-30℃的條件下，以1C倍率放電仍可放出90%以上的容量。循環(huán)壽數(shù)方面，在55℃的高溫下，即便多次進(jìn)行100%DOD5C充放電循環(huán)，1000次循環(huán)后仍有95%以上的容量堅(jiān)持率，顯現(xiàn)出優(yōu)異的功能。美國AltairNanotechnologies公司開發(fā)的10Ah高功率鋰離子電池，以Li4Ti5O12為負(fù)極資料，鈷酸鋰(LiCoO2)基資料為正極，100%DOD10C充放電循環(huán)壽數(shù)更是高達(dá)20000次以上，在50%荷電狀態(tài)下10s輸出功率密度挨近5000W/kg，10s輸入功率密度大于4000W/kg，而且具有優(yōu)異的低溫放電功能，即便在-40℃的低溫下，電池的均勻電壓仍到達(dá)2.1V以上，能夠放出60%以上的容量。電池的熱穩(wěn)定功能也十分優(yōu)異，即便在240℃的高溫下，將電池儲存30min后不冒煙、不著火、不爆炸。從此以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池成為國內(nèi)外公司和科研院所研制的熱門。
鈦酸鋰電池的作業(yè)電壓一般在2.2~2.5V，是碳負(fù)極電池作業(yè)電壓的2/3左右，在比能量相同的情況下，需求鈦酸鋰電池的數(shù)量會多出1/3，因此鈦酸鋰電池每瓦時(shí)的本錢稍高。可是考慮10年以上的運(yùn)用壽數(shù)，其長周期運(yùn)用本錢則大大降低。近年來，我國選用鈦酸鋰電池為動(dòng)力源的新動(dòng)力轎車已開端投入運(yùn)營，鈦酸鋰電池已完成國產(chǎn)化。已有鈦酸鋰電池運(yùn)用報(bào)道的國內(nèi)企業(yè)包括湖州微宏動(dòng)力有限公司(簡稱“微宏動(dòng)力”)、中信國安盟固利電源技能有限公司(簡稱“盟固利”)、珠海銀隆新動(dòng)力有限公司(簡稱“珠海銀隆”)、安徽天康(集團(tuán))股份有限公司(簡稱“安徽天康”)等，運(yùn)用于快充型純電動(dòng)客車、插電式混合動(dòng)力客車、雙源無軌電車等。
2011年微宏動(dòng)力推出10Ah鈦酸鋰電池，運(yùn)用于快充純電動(dòng)及混合動(dòng)力公交車，在重慶通過1年多的運(yùn)轉(zhuǎn)，行駛5萬多千米，充電2000多次，在重慶山地和44℃高溫的考驗(yàn)下，經(jīng)測試衰減不到1%。
2013年盟固利推出8.5Ah鈦酸鋰電池，單體電池6C充放電循環(huán)12000次容量堅(jiān)持初始容量的90%，電池組的壽數(shù)預(yù)計(jì)將到達(dá)80%，15000次;6C可充入91%容量，12C可充入85%容量。2014年初試運(yùn)轉(zhuǎn)于北京雙源無軌電車，如圖2所示。每天充放電約30次，運(yùn)轉(zhuǎn)一年后隨機(jī)對電池進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)顯現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)一年后電池容量及功率均無衰減，見圖3。2014年底盟固利為北京公交集團(tuán)進(jìn)一步供給了30套鈦酸鋰電池體系。
珠海銀隆于2010年收購了掌握先進(jìn)鈦酸鋰電池技能的AltairNanotechnologies公司51%的股份，開端投產(chǎn)鈦酸鋰電池，主要產(chǎn)品是180Ah的環(huán)形電池和45Ah的圓柱電池，運(yùn)用于儲能和電動(dòng)轎車范疇。據(jù)報(bào)道2014年底在珠海投放了500輛純電動(dòng)公交車。
當(dāng)時(shí)國內(nèi)鈦酸鋰電池功能與國外差距不大，鈦酸鋰電池具有快速充電、長壽數(shù)、高安全和杰出的低溫特性等優(yōu)點(diǎn)，用于新動(dòng)力轎車范疇正逐漸獲得喜愛。北汽福田轎車股份有限公司、中通客車、金龍聯(lián)合轎車工業(yè)(蘇州)有限公司、廈門金龍轎車集團(tuán)股份有限公司、安徽安凱轎車股份有限公司、寧波南車年代傳感技能有限公司等多家主流客車廠已相繼推出鈦酸鋰動(dòng)力電池的新動(dòng)力客車。
四、鈦酸鋰動(dòng)力電池的運(yùn)用遠(yuǎn)景
據(jù)國家開展變革委介紹，2015年力爭在北京六環(huán)內(nèi)建成均勻服務(wù)半徑為5kg的充電網(wǎng)絡(luò)，下一步將重點(diǎn)在社會公共停車場和京津冀高速路服務(wù)區(qū)等范疇建充電樁。屆時(shí)，鈦酸鋰電池的快充優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮，而且未來充電網(wǎng)絡(luò)的大面積覆蓋使裝有鈦酸鋰電池的電動(dòng)車能隨時(shí)、隨地充電，人們會漸漸淡化對鈦酸鋰電池能量密度的要求。隨著今后補(bǔ)貼方針的逐年遞減，相信未來單次循環(huán)本錢較低、安全可靠的鈦酸鋰動(dòng)力電池會被廣泛運(yùn)用成為電池范疇的佼佼者。
除了新動(dòng)力轎車范疇，鈦酸鋰電池在儲能和軌道交通范疇也將體現(xiàn)運(yùn)用優(yōu)勢。2014年10月，東芝公司宣布從電力服務(wù)公司ENERES接到了1萬臺輸出功率10kW、容量9.9kWh的蓄電池池體系訂單。2014年11月，東芝宣布將向日本東北電力公司實(shí)施的“西仙臺變電站頻率變動(dòng)對策蓄電池體系實(shí)證項(xiàng)目”供給輸出功率為40MW的蓄電體系，容量為20MW時(shí)，選用20Ah電池單元SCiB。蓄電體系用于應(yīng)對輸出功率隨氣象條件變化的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的頻率變動(dòng)。
在軌道交通范疇2014年12月，東芝對外宣稱該公司現(xiàn)已向東武鐵道株式會社供應(yīng)牽引式儲能體系(TESS)。列車駛?cè)胲囌緯r(shí)，TESS會儲存列車減速產(chǎn)生的牽引能，并在加快駛離車站時(shí)釋放。我國2014年中信國安盟固利為長客動(dòng)車供給了鈦酸鋰電池體系作為動(dòng)力輔佐電源。在我國東北高寒區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)用工況為9C充電，10C放電，當(dāng)列車駛?cè)胲囌緯r(shí)，電池體系回收列車減速產(chǎn)生的牽引能，加快駛離車站時(shí)釋放電能。考慮到動(dòng)車對電池的低溫功能、安全性和壽數(shù)作為主要要求指標(biāo)，鈦酸鋰電池或?qū)⒊蔀閯?dòng)車發(fā)動(dòng)和備用電源的最合適挑選。
鈦酸鋰電池憑借本身的明顯優(yōu)勢投入市場，并將承受市場的查驗(yàn)，最終成績怎么，需要等待市場來評判。
