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無用? 近年來,固態電池技術、鈉離子電池技術等新型動力電池路線從最初的炒作慢慢轉變為明朗的未來,甚至已經投入商業化應用,但在新能源乘用車領域,鋰離子電池仍以其裝機容量和效能優勢乘風破浪。
在鋰離子動力電池中,除了磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩條路線外,還有一種相當邊緣、常被視為獨立電池類別的“小眾電池”——鈦酸鋰電池。 這款電池近兩年來已經為大眾所熟知,大概是因為格力電器董事長董明珠的支援。
為什麼鈦酸鋰電池不是乙個獨立的電池類別? 這是因為在碳酸鋰電池中,碳酸鋰材料主要用作負極,而正極仍由三元鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等材料組成。 商用鋰離子電池一般採用資源豐富的石墨材料作為陽極,但石墨在電解液迴圈過程中有很多副反應,結構容易被破壞,即使長期充放電,電池壽命也會大大縮短。 而且由於石墨倍率效能較差,往往無法在大電流下充放電。
這是簡單談談鋰離子電池負極的工作原理,石墨材料其實是層狀碳材料,其工作原理與正極材料類似,都是將鋰離子嵌入石墨層之間進行儲存。 鋰離子放電時會離開石墨層,充電時會回到石墨層,但石墨層之間的結合能力相對較弱,在充放電過程中容易剝落層。
在電池的實際使用中,如果石墨層中的鋰離子過度放電,即石墨層中的鋰離子不斷向石墨層索要鋰離子,SEI(固體電解質層,鋰離子可以通過但電子不能通過)中的鋰離子必須離開電極, 這將導致SEI膠片被破壞;反之亦然,如果電池過度充電,新的鋰離子就無法嵌入,只能沉積在石墨表面形成鋰金屬,會產生鋰枝晶,刺穿SEI膜,導致鋰析出。
鈦酸鋰和石墨的結構穩定性不同,導致倍率效能和迴圈壽命存在巨大差異
在這些缺點的刺激下,鈦酸鋰作為負極材料的研究逐漸成為一種氣候。 事實上,鈦酸鋰電池最大的優點是熱力學穩定性遠高於石墨負極。 然而,這種優勢並不能提高電池的能量密度,也無法滿足或提高汽車的行駛里程,在乘用車市場可能真的“沒用”; 但在某些領域,鈦酸鋰電池可能會變成“埋藏的黃金”。
不上車的另一種選擇
鈦酸鋰的穩定性來自其自身的“零應變”特性,即鋰離子在插入和排出過程中幾乎沒有體積變化,資料顯示其在充放電過程中體積變形小於1%,迴圈穩定性非常好。 換句話說,這也是因為鈦酸鋰的潛力(155V)遠高於金屬鋰的還原電位,因此鈦酸鋰電池基本不存在鋰枝晶生長的問題,甚至在鈦酸鋰負極表面也不會產生SEI膜,避免了電池迴圈過程中SEL膜被破壞導致電池效能下降, 並具有極高的安全效能。
這種安全性在應用程式中的另乙個特點是極長的電池壽命,甚至可以說“不管你如何構建它”。 根據東芝公開資料,鈦酸鋰電池的迴圈壽命可達2萬次,遠超主流鋰離子電池3000次的迴圈壽命上限。 這還是在0%-100%充放電深度下進行的測試,經過20000次充放電後,鈦酸鋰電池仍保持80%的電池容量; 如果是充放電深度的50%-90%,電池容量在2萬次後基本不會衰減,堪稱無敵。
但我們也提到的缺點是,鈦酸鋰電池的能量密度太低,無法滿足日常乘用車的需求,而鈦本身就是製造成本高。 那麼,這種昂貴的低能量密度電池到底需要什麼呢? 自然是迴圈壽命長、成本敏感度低、安全要求較高的場景,如高鐵、地鐵等軌道交通行業。
鈦酸鋰電池軌道交通領域占有率較強
雖然大部分軌道交通都是由接觸網或第三軌供電,但列車上一般都有備用電池負責能量制動、無網路時短距離執行等,壽命長、安全性高、耐寒耐熱性強的鈦酸鋰電池非常存在。 在青藏高原執行的德令哈有軌電車是目前最高的有軌電車路線,配備免維護鈦酸鋰電池。
一般來說,電池沒有好壞之分,只有合適與否——即使它適合乙個相當小眾的領域。