什么是鈦酸鋰電池，鈦酸鋰電池技術發(fā)展如何？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-06 09:48
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電池的負極材料一直是石墨在一統(tǒng)天下。鈦酸鋰作為新型鋰離子電池的負極材料由于其多項優(yōu)異的性能而受到重視開始于20世紀90年代后期。比如鈦酸鋰材料在鋰離子的鑲嵌及脫嵌過程中晶體結構能夠保持高度的穩(wěn)定性，晶格常數(shù)變化很小(體積變化<l％)。
這個“零應變”電極材料極大地延長了鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命。鈦酸鋰具有尖晶石結構所特有的三維鋰離子擴散通道，具有功率特性優(yōu)異和高低溫性能佳等優(yōu)點。與碳負極材料相比，鈦酸鋰的電位高(比金屬鋰的電位高1.55V)，這就導致通常在電解液與碳負極表面上生長的固液層在鈦酸鋰表面基本上不形成。
更重要的是在正常電池使用的電壓范圍內鋰枝晶在鈦酸鋰表面上難以生成。這就在很大程度上消除了由鋰枝晶在電池內部形成短路的可能性。所以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池的安全性是目前筆者見到的各種類型的鋰離子電池中安全性最高的。
業(yè)內人士大多數(shù)都聽說過由鈦酸鋰取代石墨作為鋰電負極材料的鋰電循環(huán)壽命可達數(shù)萬次，遠高于常見的傳統(tǒng)鋰離子電池，僅循環(huán)幾千次就壽終正寢了。
由于多數(shù)專業(yè)鋰電人士從來沒有真正動手制作過鈦酸鋰電池產(chǎn)品，或者只是做過幾次遇到困難就草草收場。所以他們沒能靜下心來仔細思考一下，為什么大部分制作完美的傳統(tǒng)鋰離子電池通常只能完成1000～2000次充放電循環(huán)壽命？
傳統(tǒng)鋰離子電池循環(huán)壽命短的根本原因中是否源于其中的某一個基本組件-石墨負極難堪重負呢？一旦將石墨負極替換成尖晶石型鈦酸鋰負極之后，基本相同的鋰離子電池化學體系就能循環(huán)到幾萬乃至幾十萬次。
另外，在很多人津津樂道地談論鈦酸鋰電池的能量密度偏低時，卻忽略了一個簡單而重要的事實：那就是鈦酸鋰電池超長的循環(huán)壽命、不同凡響的安全性、優(yōu)異的功率特性以及良好的經(jīng)濟性。這些特性卻將會是成就目前正在崛起的大規(guī)模鋰電儲能產(chǎn)業(yè)的重要基石。
1.鈦酸鋰材料
國際上對鈦酸鋰材料研究及產(chǎn)業(yè)化方面比較領先的有美國奧鈦納米科技公司、日本石原產(chǎn)業(yè)株式會社、英國莊信萬豐公司等。其中美國奧鈦生產(chǎn)的鈦酸鋰材料無論在倍率、安全性、長壽命及高低溫等方面性能優(yōu)異。但是由于生產(chǎn)方法過于冗長精細導致生產(chǎn)成本偏高，使其在商業(yè)化推廣上難度較大。
石原產(chǎn)業(yè)是亞洲最大的鈦白粉制造商之一，公司在日本、新加坡、臺灣均有生產(chǎn)基地。石原產(chǎn)業(yè)充分利用其充沛的原材料資源，以濕法工藝成功地開發(fā)了多款低成本、高倍率、不同顆粒度的鈦酸鋰產(chǎn)品。其性能相似的產(chǎn)品在價格比較美國奧鈦的鈦酸鋰材料有較大的優(yōu)勢，但比中國國內的產(chǎn)品則稍遜一籌。莊信萬豐接手了原德國南方化學公司擁有的磷酸鐵鋰等材料，但在鈦酸鋰材料的研發(fā)與生產(chǎn)方面投入不足，產(chǎn)品質量難以穩(wěn)定。
國內在鈦酸鋰材料量產(chǎn)方面已有多家，如四川興能新材料有限公司、珠海銀隆新能源有限公司、湖州微宏動力有限公司、深圳貝特瑞新能源材料股份有限公司、湖南杉杉新材料有限公司以及安徽和深圳周邊的多家規(guī)模較小的鈦酸鋰生產(chǎn)廠家。
四川興能是一家專業(yè)生產(chǎn)鈦酸鋰材料的廠家，年產(chǎn)能達3000t，鈦酸鋰生產(chǎn)工藝具有客戶適應性和穩(wěn)定性，可在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)線和設備的情況下靈活調整，生產(chǎn)出適合不同客戶要求的鈦酸鋰，并保持產(chǎn)品技術指標的穩(wěn)定。興能依靠上游的鋰礦與鈦礦資源，可實現(xiàn)從原礦到最終材料的協(xié)同生產(chǎn)，由此可實現(xiàn)鈦酸鋰產(chǎn)品性能提升和成本降低，避免原料市場波動帶來的影響。
珠海銀隆于2011年完成了對美國奧鈦納米科技公司53.6%的股權的收購從而成為國內少有的一家同時擁有鈦酸鋰材料制備、電池生產(chǎn)、鈦酸鋰電動汽車、儲能系統(tǒng)、調頻調峰等應用的多項核心技術與30多項專利的企業(yè)。
目前北方奧鈦納米技術有限公司(簡稱“北方奧鈦”)的鈦酸鋰材料年產(chǎn)能100t并為北方奧鈦和珠海銀隆提供高品質的納米級鈦酸鋰。珠海銀隆新能源還與石原產(chǎn)業(yè)就新型鈦酸鋰材料的研發(fā)開展了戰(zhàn)略合作，材料的成本將隨著其產(chǎn)量的增加而下降，未來幾年內有望接近目前石墨負極材料的成本價格。
湖州微宏是目前在國內業(yè)界推廣鈦酸鋰電池技術和其它快充類電池最成功的企業(yè)之一。
湖州微宏生產(chǎn)的鈦酸鋰材料主要用于自己生產(chǎn)的鈦酸鋰電池產(chǎn)品。湖州微宏鈦酸鋰電池產(chǎn)品在國內外市場不斷擴大也對鈦酸鋰技術在電動車及儲能市場上的應用起到了良好的示范作用。
深圳貝特瑞是目前世界上最大的鋰電碳負極供應商。公司具有強大的研發(fā)團隊，也是鈦酸鋰行業(yè)標準的起草者之一。深圳貝特瑞強大的銷售網(wǎng)絡也將在鈦酸鋰市場銷售中占盡先機，已經(jīng)推出碳包覆鈦酸鋰和無碳包覆鈦酸鋰的2款產(chǎn)品。然而，目前鈦酸鋰材料并非貝特瑞的主打產(chǎn)品。在鈦酸鋰電池市場尚未全面鋪開的情況下，公司還沒有在鈦酸鋰材料的生產(chǎn)上制定長遠的計劃。
2.鈦酸鋰電池及其在電動車和儲能方面的應用
國際上能夠批量生產(chǎn)鈦酸鋰電池的廠家并不多，主要以美國奧鈦與日本東芝集團為代表。鈦酸鋰電池的應用市場主要有電動車、儲能市場及工業(yè)應用。
美國奧鈦的鈦酸鋰電池制造方面有其獨特的核心技術，在國際上大規(guī)格鈦酸鋰電池制造方面仍處于領先地位，并已解決了所謂的“脹氣”問題。目前其第4代65Ah單體鈦酸鋰電池已用于儲能系統(tǒng)，在65℃循環(huán)上萬次仍無明顯的容量衰減。
在鈦酸鋰電池系統(tǒng)應用方面，奧鈦為美國加州提供的混合電動巴士已于2008年投入運行至今。其燃油經(jīng)濟性指標為106.4kg/L遠高于普通柴油發(fā)電機的23.8kg/L。公司為夏威夷自然能源所的10.5MW風力發(fā)電場提供了1MW的存儲系統(tǒng)并與當?shù)仉娋W(wǎng)的并網(wǎng)，同時提供為期3年的技術支持服務。此鈦酸鋰電池儲能系統(tǒng)主要用于調控可再生能源的電壓波動，并將機組的負荷變化率控制在1MW/min以內。
奧鈦的1MW大容量高功率儲能機組是目前在美國電網(wǎng)中唯一得到2年多實地商業(yè)運作和性能質量檢驗通過的大容量鈦酸鋰電池產(chǎn)品。儲能系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)超過500000次，充放電總電量超過3300MWh，系統(tǒng)容量損失小于2%，且功率并沒有明顯的衰減。
