电池快充问题亟待解决 钛酸锂电池进入产业化运用

 导读：电池快充问题亟待解决 钛酸锂电池进入产业化运用。新能源汽车目前没有普遍被消费者接受的主要原因，在于消费者的“里程焦虑”问题。

参考《2016-2022年中国蓄电池充电器市场竞争态势及十三五发展机会分析报告》

      缓解里程焦虑，电池快充将是下一个技术爆发点

      新能源汽车目前没有普遍被消费者接受的主要原因，在于消费者的“里程焦虑”问题。

      图表1 提高电池性能和普及充电设施是解决消费者里程焦虑的主要方式

      目前学界和电池生产厂家主要着眼于通过改进电池材料，如选择三元材料作为正极材料、负极中添加 Si 材料的方式提高电池的能量密度，继而提高电池容量，达到增加续航里程的目的。

      国家通过鼓励国家电网等国企、第三方企业进行公共充电桩建设，并通过法规形式要求新建住宅、公用停车位预留充电桩位（或充电桩安装条件），以此达到普及充电设施的目的。

      提高充电倍率、缩短充电时间的技术路径，主要受限于现有电池材料的选择。普通石墨负极锂电池提高充电电流将产生明显的热效应，影响电池使用寿命，甚至产生过热燃烧爆炸；因此选择合适的电池材料成为解决快充问题的重中之重。

      图表2 钛酸锂与石墨结构结构稳定性不同导致倍率性能和循环寿命差异巨大

      在实现产业化应用的负极材料中，仅有钛酸锂（LTO）可以兼顾倍率性能、安全性和循环寿命。

      图表3 常见锂离子电池负极材料性能比较，LTO 高倍率、长寿命优势明显

      图表4 珠海银隆钛酸锂产业链典型产品

      高倍率充电热效应低，钛酸锂快充成为现实

      目前虽然可以通过提高充电电流的方式实现普通锂电池的快充，但是大电流下电池发热问题尚未解决，而充电时间仍然长达 40 分钟到一个小时，远不满足快充的需求。

      以现有快充技术的领先者特斯拉为例，特斯拉超级充电桩可以在 40 分钟充电 70KWh，行驶里程约300 公里。但是该快充技术只能以 1C-2C 的电流充电，同时需要充电枪或车载快充系统实时监控电池温度，在温度过高时降低充电电流。40 分钟的充电时间可谓距离消费者“方便”的要求相去甚远。

      钛酸锂电池使用钛酸锂作为负极材料，此类电池可以使用 10C 以上高倍率充电，充电速度更快；而在此过程中热效应很低，不会产生过热爆炸的安全问题。另外 珠海银隆旗下美国 AltairNanotechnologies 公司研发的钛酸锂电池已经可实现 100%DOD 10C 充放电循环寿命超过 20,000次（数据来源：《新材料产业 NO.02 2016》）。长寿命、快充电等特性使得钛酸锂电池应用成为现实。

      目前钛酸锂电池已经进入动力电池、储能电池、超高功率器件领域。

      图表5 LTO 已经成功运用于动力电池、储能电池和超高功率器件领域

      钛酸锂电池具备多重优势，已经进入产业化运用

      钛酸锂电池充电快、寿命长等优势显著

      Li4Ti5O12（LTO）是 Jonker 等于 1956 年提出的具有立方尖晶石结构的一种负极材料。1995 年Ohzuku.T 等人首次以 LTO 为负极，以 LiCoO2 为正极制成电池，并进行了性能研究。LTO 正式作为负极材料进入大家的视线。

      图表6 LTO 晶体结构稳定，锂离子脱嵌几乎不影响材料体积

      钛酸锂材料比表面积大，电化学反应速度快，因此充放电速度快。

      同时钛酸锂基本不与电解液反应生成钝化层，即不产生 SEI 膜（固体电解质界面膜 Solid ElectrolyteInterface），也就避免了 SEI 膜分解时产生的热效应，大电流工作时电池发热少，使得高倍率充放电具备可行性。

      电池充电时，LTO 嵌入 Li＋形成岩盐型晶体结构 Li7Ti5O12，嵌锂前后两种晶体的晶格参数非常接近，因此体积变化<0.3%，体积变化率几乎为零，因此被称为锂离子电池中的“零应变”材料，结构的稳定性使得钛酸锂电池循环充放电次数可达 2.5 万次。

      图表7 LTO 材料具有充电快、寿命长等优势

      钛酸锂电池也有一定缺陷，例如比容量较低、工作电压较低、制造成本偏高等。

      比容量较低：钛酸锂嵌锂电位较高，因此理论比容量约为 170mAh/g，约为石墨电极理论比容量的一半； 制造成本高：为解决钛酸锂比容量低和嵌锂态不稳定的问题，加工过程中需要对钛酸锂进行掺杂和包覆等表面处理，工艺复杂导致制造成本较高。

      图表8 LTO 主要缺陷为比容量和工作电压较低，制造成本有下降空间

      钛酸锂快充动力电池，电池性价比仍有提升空间

      由于钛酸锂电池具备可快速充电、热效应低、低温性能优秀的特点，因此钛酸锂电池在用作运行路线固定、有低温运行要求的客车动力电池领域具备明显优势。

      制约钛酸锂电池普及的主要因素为昂贵的价格。以电子商务平台马可波罗（makepolo.com）上的安徽天康集团钛酸锂电池为例，其额定容量 18Ah、额定电压 2.4V 的钛酸锂电芯售价约 260 元人民币，折合 6000 元/KWh,是目前主流使用石墨负极的三元锂电池和磷酸铁锂电池成本 2500 元/KWh 的 2.4倍。考虑到钛酸锂电池能量密度仅为石墨电极一半，同等容量的钛酸锂电池质量、体积都将更大，PACK 后成本可能达到主流电池的 3 倍。

      钛酸锂材料价格高企是钛酸锂电池昂贵的主因，目前仅有少数企业企业掌握钛酸锂材料和钛酸锂电池生产工艺。目前批次质量稳定、经过包覆的钛酸锂材料价格高达 13-15 万元/吨。

      中国电池网消息，2016 年初成都兴能集团 5000 吨/年规模的自动化钛酸锂生产线全线达产，该公司大幅下调钛酸锂报价到 9 万元/吨，相比前期 15 万元/吨报价下调幅度约 40%。钛酸锂自动化生产将大幅降低钛酸锂售价，直接带动钛酸锂电池价格的平民化。

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