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锂电池百家争鸣 钛酸锂电池别具一格

2017-01-05 14:26:43 作者:宇瀚 来源:中国客车网
  珠海银隆在经历了格力的收购风波和董明珠、王健林等30亿集体增资后, 更建成世界最大的钛酸锂材料和电池生产基地,一次又一次引起业界和媒体的广泛关注。虽然钛酸锂技术应用于电动车和储能领域的可行性已经在市场上得到了印证,钛酸锂电池在倍率、高温、低温、循环寿命、安全性等电池性能指标也得到了行业认可。但当新科技、新观点、新事物的出现时,总会引来一定的质疑,钛酸锂电池市场应用前景到底如何?下面记者通过专家论证后对钛酸锂材料进行解析。

  对比其他锂离子电池,钛酸锂电池市场前景广阔

  发现1、慢充纯电动客车存在电池过重现象

  目前市场上主流的磷酸铁锂动力电池,其正极材料为磷酸亚铁锂,理论比容量为170mAh/g,实际可逆容量为120~140mAh/g,与石墨搭配制成电池的额定电压为3.2V。因为其技术门槛相对较低,目前国内大多数厂家都会首选其作为其核心动力电池产品,而大多数厂家生产的磷酸铁锂单体电池能量密度是在120Wh/kg左右。

  但随着2017年国家关于新能源汽车的最新补贴政策对能量型电池的能量密度提出了明确要求,技术门槛让国内很多磷酸铁锂电池厂直接停产了。同时新政除了对能量密度有要求外,装载能量型电池的行驶里程不得低于250km,即使按磷酸铁锂系统120Wh/kg的上限计算,装车电池的重量为2.5~3吨,可能会形成“小马拉大车”的客观现象,严重影响整车的能源使用效率,耗能严重。

  发现2、其他锂离子电池仍然难以突破能量密度瓶颈(在不牺牲安全性、循环使用寿命的前提下)

  至于如何突破电池能量密度200Wh/kg的目标,最有可能实现的是使用硅炭作为负极,但这种新材料受限于循环寿命不佳,离实际应用于动力电池还有不小的距离。

  而据行业专家表示,即使使用硅炭作为负极,能量密度达到200Wh/kg,无非也就达到目前三元电池的能量密度水平,而目前特斯拉使用这种能量密度水平的电池,也没法解决纯电动汽车的行驶里程焦虑问题,更不用说循环使用寿命短,电池容量衰减快的硅炭负极的磷酸铁锂电池了。

  与磷酸铁锂电池类似,三元动力电池用于电动车走的也是所谓能量密度路线,由于三元材料是在钴酸锂等层状金属氧化物正极材料的基础上衍生出来的,所以其电化学性质和钴酸锂十分接近,只是安全性略好于钴酸锂。虽然其电池能量密度较高,但由于与石墨这种更不稳定的负极材料搭配,其安全性一直饱受质疑,目前已经发生了几起严重的安全事故。所以三元锂电池目前主要应用于小型乘用车,国家对于其在公共交通领域的应用还十分谨慎。另外,磷酸铁锂和三元锂电池都比较适合慢充,需要建设大量配套的充电设施,投资和建设成本很高,特别是对于城市用地比较紧张的地区受到的限制会更多。

  发现3、实际运营中,慢充纯电动客车运营成本高

  以公交公司为例,大部分纯电动客车行驶里程一般不超过200km。而一般公交车的日均行驶里程都在200km以上,所以充一次电跑一天基本上都无法实现,需要在进站的间隙快速补电,随着电池容量的衰减,补电的频率会显著增加。所以,磷酸铁锂纯电动公交车在运营过程中也需要大电流充电设备。同时,由于磷酸铁锂电池的充电倍率限制,为了保证行驶里程,快速补电时间不能太短。这对于一些发车间隔比较短的线路就需要配备更多的车辆来满足运营需要,这无形中也增加了运营成本。至于每台车每晚的慢充需要配备的充电桩、值班人员等一系列维护成本也不低。所以,虽然磷酸铁锂纯电动公交车在一次购车成本方面略占优势,但实际运营成本和效果并一定很理想。慢充对于运营成本的浪费也是需要考虑的。

  结论:从国情出发,钛酸锂电池具备市场应用前景

  从循环使用寿命、高安全等领域来看,钛酸锂电池具备材料的先天优势,从而适应了国情发展,在电动车的充电时间、续驶里程、安全性能等问题上,解决了大部分中国公交企业的需求,实现了寿命和运营效率等各项指标必须与传统内燃机竞争的先决条件,这不得不说是锂电池领域的一大突破,对完善整个锂电池应用体系有着重要影响。

  据悉,与磷酸铁锂和三元锂电池不同,在电动车领域,钛酸锂电池充分利用其特性,走的是快充路线,即在6分钟或更短时间内充满电后即可正常行驶。所以它非常适用于高使用频率的运营车辆。

  快充可以提高充电桩的使用效率,最大限度节约充电场站的建设用地和成本,在寸土寸金的城市区域,更显难能可贵,随着国家城市化进展,钛酸锂电池的研发在行业是极具前瞻战略意义的。钛酸锂电池纯电动公交车主要应用钛酸锂电池在快充、长寿命、耐高低温、高安全等方面的特点,可以实现与传统燃油车1:1的替换,充电桩可以采用5:1,即5辆车配1个充电桩的模式进行运营,大大降低了充电桩的建设和车辆运营成本。

  钛酸锂电池的长寿命和优异的高低温性能也保证了运营车辆的稳定性。至于实际运营效果,就以全世界最大公交运营系统——北京公交为例。众所周知,北京人口众多,北京公交的运营压力巨大,每条线路高峰期的发车间隔只有几分钟。早在2008年北京奥运会就开始使用纯电动公交车,尝试过慢充、换电等多种运营模式,也使用过包括锰酸锂、磷酸铁锂、三元电池在内的多种动力锂电池,都因为不符合实际需求而最后弃用。最后经过127个专家长时间讨论,选择了银隆新能源,而银隆纯电动客车能进入北京公交无疑证明了钛酸锂电池的优越性,是符合新能源公交发展规律的,也是尊重市场规律的选择。

  综上所述,其实某种技术是不是适合于某一领域的应用,并不单单是一两个简单的技术指标所决定的,更多的是要看其实际应用效果和客户的认可程度。随着钛酸锂电池生产规模的不断扩大,结合未来风光储能等设施的建设,再配合银隆特有的商务模式,钛酸锂电池纯电动公交车是最有可能率先摆脱财政补贴的新能源车型之一。

  锂电池多技术路线发展有利于行业发展

  钛酸锂电池目前的能量密度偏低,一方面是由于钛酸锂材料本身的固有性质所形成的,另一方面也是因为使用规模不及磷酸铁锂,导致研发力度不足。

  但正如前文所述,磷酸铁锂电池和三元锂电池同样也有能量密度限制,按现在已经大规模商业应用的石墨负极来计算,其单体电池能量密度上限分别约为150Wh/kg和230Wh/kg,如果想要实现突破就必须有新的高容量负极材料出现。而钛酸锂材料要想实现能量密度的突破就要寻找一种更高容量的正极材料。

  其实这两者殊道同归,都为突破锂电池领域的瓶颈,只是在发展方向上,因为材料的不同,而稍有不同罢了。而目前以珠海银隆为代表的钛酸锂电池企业建成世界第一的钛酸锂材料和电池生产基地,随着产业化的整体提升,成本将得到进一步降低,随着产业应用率的上升,同样有望在科研领域取得突破。

  钛酸锂材料同样适用于储能领域,根据调查,由银隆新能源参与的深圳宝清储能电站示范工程,是我国第一个兆瓦级电池储能站,也是世界上首个10千伏无变压器直挂电网的电池储能站。就像一个超级充电器,是由钛酸锂单体蓄电池组成的快速充放电系统,对电网起到平滑间歇性电源功率波动、减小负荷峰谷差、增加备用容量3大作用。实现了四级均衡体系,已经被证实具有极大的市场应用空间。

  对于储能领域,首先需要明确的是峰谷电价差只是储能应用的初级部分,而且规模不同对于使用年限的要求也有很大差异。对于电力储能而言,最小规模的都以MW计算,相当于上百台车的数量级。这种级别的储能站建设周期都比较长,投资巨大,一般最低使用年限都要求在15年以上,所以长寿命是应用于电力储能的电池产品所必须的。在这方面,磷酸铁锂和钛酸锂电池都具有一定的优势。

  另外,电力储能还有很大一部分功能是用来调频的,即平滑电网中的电压波动频率,保证电网中的电能质量。其主要应用就是对于风光储等波动较大的发电源提供并网服务,保证整个电网的稳定,使原本对于电网冲击很大的垃圾绿色能源真正实现其价值。在这方面,要求电池具备5C以上的快速充放电能力,所以钛酸锂电池的快速充放电、长寿命优势就更为凸显,在这一领域的应用优势更大。美国奥钛纳米技术公司原本的主要业务就有针对这部分应用需求的,其在AES和夏威夷的应用都属此类。由于美国是存在调频电价,所以这一业务和调峰应用一样也是有盈利的。虽然目前国内市场暂时还没有出台调频电价,但相信随着国家的发展,对于高质量电能需求也会逐渐增加,这部分应用也会成为重要的储能发展方向之一。

  其实,在每个行业进入高速发展之时,都会引发社会的高度关注随之也会存在大量的观点学说,而锂电池行业正处于百家争鸣的现状,并且具有朝阳的发展姿态,社会应该给予更多的支持与宽容,塑造良好的行业环境。

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