钛酸锂离子电池技术开发难点及其发展方向

1.在我国发展钛酸锂离子电池技术的理由

钛酸锂离子电池技术在我国各种储能电池(如先进铅酸、钠硫、液流钒等电池体系)中的竞争应该占有天时、地利、人和之优势。光就使用寿命而言，钛酸锂离子电池超长的循环寿命远胜于各类铅酸电池;其效率、成本及电化学性能更是优于钠硫与液流钒等电池体系。锂电产品历年来重要市场是便携式电器如手机和手提电脑等。根据在日本举办的第6届国际充电型电池展，在2015年度全球便携式电器的市场为49119MWh;而电动汽车与储能各为7636MWh和944MWh。我国的手机与手提(平板)电脑的用量虽大，但大部分都不属国内品牌。所以国内锂电厂家在便携式电器上的锂电销售能力输于日韩产品。其原因笔者近期已有观点发表，在此不再謷述。然而，钛酸锂技术的适用市场却是混合电动汽车、特殊工业应用及储能应用如调频及电网电压支撑等。这些市场在全世界尚处于起步阶段，谁执牛耳尚未可知。钛酸锂技术有望成为这些市场中的佼佼者。

我国人口基数占全世界约1/5。由于人口众多，我国的电动汽车、储能及工业应用市场是一个让许多国家的跨国公司所垂涎的巨大市场。近年来我国政府对电动汽车及储能产业的发展高度重视，各类国家鼓励政策纷纷出台。我国产的钛酸锂离子电池系统在重庆及欧洲的混合电动大巴、张北的风光储示范站及深圳宝清储能电站已有了几年的商业化应用数据积累。另外，我国锂电产业链的上下游早已成气候，除了完备的电池材料供应与设备制造能力之外，锂离子电池产品的生产量力也与日、韩2国三分天下。这就使得我国的锂电生产厂家从传统锂电生产转型到钛酸锂离子电池产品生产具备了先天的条件。我国在钛酸锂材料生产方面早已有了像四川兴能、河北银隆、湖州微宏等既有实力、又有相关相关经验的公司。在钛酸锂离子电池生产方面脱颖而出的代表公司有湖州微宏、河北银隆、天津捷威等。这些公司都已经在国内外电动汽车及储能市场初步建立了自己的销售渠道。尤其值得指出的是河北银隆拥有从材料生产到电池制作及系统集成一系列专有技术与知识产权，目前我国锂电界尚属少见的拥有自主知识产权的生产厂家。

2.钛酸锂材料、电池及电池组制作的瓶颈

既然钛酸锂离子电池技术有诸多其他锂电无法比拟的优越性，那为何至今为止在我国能源行业乃至世界能源领域应用寥寥呢?原因有以下3个方面。

过针刺 低温防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆标准

充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%

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钛酸锂材料生产

钛酸锂材料的生产从原则上说并不复杂。但要用作锂离子电池的负极材料，不但要讲究材料具有合适的比表面积、粒度、密度和电化学性能等，还必须能够适应于大规模锂离子电池的生产工艺。钛酸锂材料在很多传统锂电生产线上无法正常生产的原因之一就是材料的pH为11或12，吸湿性极强。这就使得钛酸锂材料在电池制作的前段工艺如配料、搅拌、涂布、滚压时随地点、气候、季节的不同而材料的吸潮量也不同，最终导致产品胀气、质量失控。笔者认为，如何降低材料的吸潮性，在钛酸锂材料表面包覆一薄层憎水性材料同时又不阻挡锂离子与电子的进出应该是一个很值得研究的课题。

钛酸锂离子电池制作

在事实上，将常规锂离子电池生产线直接用来生产钛酸锂离子电池产品并不像仅仅把石墨换成钛酸锂材料那样简单。因为钛酸锂材料对湿度的要求比常规锂离子电池生产要高得多。为了控制湿度，有些制备工艺要做相应的调整以适应钛酸锂离子电池产品生产的特殊要求。另外，有些生产设备也要做相应的改进。假如有条件的话，最好能专门为钛酸锂离子电池产品重新设计一条结构紧凑、体积小巧、全封闭式的自动化生产线。

钛酸锂离子电池组

无人船智能锂电池

IP67防水，充放电分口 安全可靠

标称电压：28.8V
标称容量：34.3Ah
电池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
应用领域：勘探测绘、无人设备

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与常规锂离子电池不同，目前国内外生产的钛酸锂离子电池在成组投入应用一段时期后常会看到软包的单体电池内有微量的气体出现。这些气体与新鲜电池化成时出现的气体不同。前者能够通过电池生产工艺来去除。但后者则是在电池使用过程中出现的，或者说在目前的工艺条件下很难防止。以软包电池为例，一般钛酸锂离子电池组是靠两端结实的夹板压力来保持电池极片之间的均匀接触以维持电流密度的均一性，无论产气与否。过多的气体出现显然会影响其性能发挥。这时东芝的铝壳钛酸锂离子电池就显示出其优越性了，硬壳可以将少量气体保持在电池内而不出现过大的形变。然而，铝壳电池做大之后(如50Ah)硬体外壳抵御气压的功效也就减弱了。笔者认为，研究循环时气体出现的化学反应机理应该不失为一个很好的科研题目。

另外，由于钛酸锂离子电池技术的优越性之一是其高功率性能。虽然电池本身可以承受大电流充放电，但厚的单体电池仍然不适于高功率应用因为电池太厚会造成大电流出现的热量难以散发。所以对大功率钛酸锂离子电池来说，尺寸大而薄的软包电池结构仍不失为一个合理的选择。

3.钛酸锂技术的今后发展方向

最后，在此有必要综合概括一下钛酸锂材料作为锂电负极的优劣势，优势：超高安全性(不易燃不易爆)、超长寿命、高低温工作范围宽(-40～65℃)、高功率、低成本(电池负极仅占全电池成本的20%～30%，按每次循环的成本来算，钛酸锂离子电池的价格并不高;钛酸锂离子电池系统应用于储能意味着减少了大批更换上万个电池的次数及其维护成本;另外，钛酸锂负极的集流体是铝，而非昂贵的铜)以及绿色环保。劣势：钛酸锂材料能量密度低(比较石墨而言)、吸水性强，电池制作的环境要求高、生产工艺要做相应的更新、新工艺要投资必要的设备与更高要求的湿度控制(电池生产厂要被指导如何正确生产钛酸锂离子电池)、以及钛酸锂离子电池的应用市场尚未充分打开(要让市场用户及政策制定者充分了解钛酸锂系统的优势)。

结语

在当前我国政府大力倡导开发新能源及其相关产业的大环境下，如何推动钛酸锂离子电池技术及其在电动汽车和储能市场上的应用对我国钛酸锂离子电池产业而言是机不可失，时不再来。有关国内的河北银隆、湖州微宏、四川兴能、深圳贝特瑞等拥有一部分自主知识产权的优势及销售渠道的公司应该是得天独厚的机会。很多人没有意识到我国在钛酸锂技术方面的知识产权优势是目前以磷酸铁锂离子电池为主的所谓“主流化学”所不具备的。开发高容量高电位正极材料(如NCA或镍锰酸锂)以提高钛酸锂离子电池的能量密度是赶超日韩的一步妙棋。当然，同时必须对整个锂离子电池化学体系进行研究，如高电位电解液和抗氧化隔膜等课题研究。我国锂电行业开发钛酸锂离子电池技术的努力将会得到正在崛起的电动汽车、储能及工业应用市场可观的回报。