钛酸锂电池特性分析及应用在电动车时的优缺点

2016-09-06 20:31:18来源: 电子发烧友网

  钛酸锂电池是什么

  作为锂离子电池负极材料-钛酸锂,可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池。此外,它还可以用作正极,与金属锂或锂合金负极组成1.5V的锂二次电池。由于钛酸锂的高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点。可以预见:钛酸锂材料在2-3年后,一定会成为新一代锂离子电池的负极材料而被广泛应用在新能源汽车、电动摩托车和要求高安全性、高稳定性和长周期的应用领域。钛酸锂电池工作电压2.4V,最高电压3.0V,充电电流大于2C。

  钛酸锂电池的特性

  钛酸锂(LTO)材料在电池中作为负极材料使用,由于其自身特性的原因,材料与电解液之间容易发生相互作用并在充放循环反应过程中产生气体析出,因此普通的钛酸锂电池容易发生胀气,导致电芯鼓包,电性能也会大幅下降,极大地降低了钛酸锂电池的理论循环寿命。测试数据表明,普通的钛酸锂电池在经过1 500-2 000次左右的循环就会发生胀气的现象,导致无法正常使用,这也是制约钛酸锂电池大规模应用的一个重要原因。钛酸锂(LTO)电池性能改进是单个材料的性能的提升以及各关键材料的有机整合的综合体现。针对快速充电与长使用寿命的要求,除负极材料以外,还要针对锂离子电池的其他关键原材料(包括正极材料、隔膜、以及电解液),同时结合特殊的工程化工艺经验,最终形成了“不胀气”的钛酸锂LpTO电池产品,并首先实现了在电动公交客车上的批量应用。测试数据表明,在6C充电,6C放电,100%DOD的条件下,钛酸锂LpTO单体电池的循环寿命超过25 000次,剩余容量超过80%,同时电芯产生的胀气现象不明显,不影响其寿命;而重庆快速充电纯电动公交的实际应用情况也表明,在电池成组以后,电性能的表现也相当优异,可以保证纯电动公交客车的日常商业化运营。

  优点

  采用电动车辆取代燃油车辆是解决城市环境污染的最佳选择,其中锂离子动力电池引起了研究者的广泛关注。为了满足电动车辆对车载型离子动力电池的要求,研制安全性高、倍率性能好且长寿命的负极材料是其热点和难点。

  商业化的锂离子电池负极主要采用碳材料,但以碳做负极的锂电池在应用上仍存在一些弊端:

  1、过充电时易析出锂枝晶,造成电池短路,影响锂电池的安全性能;

  2、易形成SEI膜而导致首次充放电效率较低,不可逆容量较大;

  3、即碳材料的平台电压较低(接近于金属锂),并且容易引起电解液的分解,从而带来安全隐患。

  4、在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化较大,循环稳定性差。

  与碳材料相比,尖晶石型的Li4Ti5O12具有明显的优势:

  1、它为零应变材料,循环性能好;

  2、放电电压平稳,而且电解液不致发生分解,提高锂电池安全性能;

  3、与炭负极材料相比,钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2 *10-8cm2/s),可高倍率充放电等。

  4、钛酸锂的电势比纯金属锂的高,不易产生锂晶枝,为保障锂电池的安全提供了基础。

  缺点

  1、相对其他类型的锂离子动力电池能量密度会低一些。

  2、胀气问题一直阻碍着钛酸锂电池的应用。

  3、相对其他类型的锂离子动力电池价格偏高。

  4、电池一致性仍存在差异,随着充放电次数的增加电池一致性差异会逐渐增大。

  应用在电动车上的优缺点

  能量密度低是其最为突出的问题,所以更适合于一些特种的电动汽车的用途,想让汽车跑远点的都请忽略它。

  钛酸锂介绍:

  175mAh/g的理论容量,对锂电位1.5V----因此也不会产生SEI,不可逆容量低(所以这个材料寿命和安全性好),嵌脱锂时体积应变只有不到0.2%,所以材料结构特别稳定。制成时是Li4Ti5O12,充电满后是Li7Ti5O12。该材料安全,寿命长,在功率型以及低温用途下表现出色。

  下面开始分析:

  容量不低,175mAh/g,但是这只是容量,不是能量,电压乘以电量得到的才是能量。此材料电压是1.5V,OK。

  问题来了,这个材料倒是既可以做正极,也可以做负极。如果做正极的话,那基本就要和石墨负极配,得到的电池基本就是1.5V的电池(一般锂电池,3.4,3.7V的都有,现在好像还有4V的)。但是这也太搓了,电压如此低,得到的电池能量密度也比较惨,看看电压差别,就知道,能量密度起码跌一半。你们整天嫌电动车跑不远,就是因为电池能量密度差,你再看看它。

  还没完,它如果做正极,先充电的话要嵌锂,这就要求负极必须含锂。一般用的负极,比如石墨,都是不含锂的,这就要求锂化。锂化的石墨/硅负极这个技术似乎已经有,不过我听来我们这里介绍的日本专家讲了讲,感觉可不像是什么已经比较成熟的技术,至少个人认为比钛酸锂离实用还要远。总之,当正极感觉十分不靠谱……

  如果做负极的话,OK,这是它的本行吧。它电压是高一点,不过正好与电解液稳定共存,不会生成SEI膜。因此材料安全性不错,材料充放电时应变又小,被誉为“零应变材料”,总之寿命长,大倍率充放也比较耐受,听说有一万次的寿命。

  但是,树上的鸟儿成双对~~~~~~~~~~,它做负极的话,与几种正极材料配合的情况如何?

  电池的正负极相配是比较重要的内容:比如这个负极特别牛,一万次的寿命,可惜正极只能撑500下……一样没戏。几种典型的正极材料,如三元(现在也不错了),钴酸锂,磷酸铁锂,锰酸锂中,磷酸铁锂仍然是毫无疑问的寿命最高的(虽然你们老吐槽铁锂这这那那),磷酸铁锂的功率性能也很好(参见上次磷酸铁锂电池的回答),因此个人认为和钛酸锂配合还比较靠谱。不过这种电池,电压只有3.4-1.5=1.9V,基本还是一个惨(普通磷酸铁锂电池,以石墨为负极,3.3V左右的电压)。能量密度也相应的非常寒碜。

  总之,钛酸锂这个材料,要么电压再低点(当负极),要么电压再高一点(牛B无敌新正极),可能境遇都要好很多。

  此外,这个材料价格贵是肯定的(RMB/kg),毕竟钛不是什么特别便宜的东西,你再便宜能有锰铁便宜?再加上能量密度低(WH/kg),所以算单位能量(RMB/WH)的价格时,只会更缺乏竞争力。(你们天天嫌电动车贵)说来说去,其实人家也有优点,材料稳定,安全,大倍率功率性能良好,因此对于“快充” “功率型”用途,一定是比较适合的,这一点没有问题,人家没撒谎。

  但是,这种功率型用途是靠牺牲能量密度得来的,以前装100kg电池,现在如果还想跑那么远,就要装200kg……所以相应的也就做了一些调整,比如就少装电池,然后跑一趟充一次,每次都快充。 其实我觉得,这也算是一种成功的运行模式。只不过真的得把单位能量(RMB/WH)的价格这笔账算清楚,毕竟受认可的产品,成本一定得有点竞争力,而在这点上钛酸锂好像不太乐观。

  另外一个快充,电流大,略危险,能量损失率高,算了……我觉得我像是一个快充黑,总之快充有优点,也有不足,客观看待吧~  

  PS:钛酸锂做负极与磷酸铁锂配合,充分发挥稳定、长寿命、高功率的优点时,做一些功率型、储能型电池,还是比较靠谱的,貌似有厂家有这个产品。

关键字:钛酸锂电池  电动车

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016090616056.html
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