深析鈦酸鋰動力電池的產業化和應用前景
一、我國新能源汽車的產業化現狀
能源瓶頸和環境污染已成為全球性問題，
發達國家如美國、日本等紛紛制定了國家計畫來推進傳統汽車產業的升級。
圖1 未來中國汽車平均能耗目標
在政府一系列利好政策的引導下，我國新能源汽車研發呈現較好的發展局面，各汽車廠商也積極推廣新能源汽車，並取得了較好成績。根據中國汽車工業協會最新發佈的資料，2015年1—7月，新能源汽車生產95 530輛，
二、 新能源汽車對動力電池的應用需求
動力電池是各種電動車輛的能量載體和動力來源，動力電池的性能直接決定了車輛的性能。新能源汽車用動力電池包含：鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、超級電容、燃料電池等。
表1 不同電動汽車對動力電池的要求
從表1中可以看出，鋰離子電池的性能幾乎可以滿足所有類型電動汽車需要，鋰離子電池是當前所有可充電電池中綜合性能最優的一種電池，也是目前最佳的能應用於插電式混合動力汽車和純電動汽車的電池。
鋰離子電池負極材料包含碳負極材料、鈦氧化物、錫與碳的複合物、矽的複合物等。目前商業化的鋰離子電池的負極材料主要採用碳負極材料。碳負極材料電池有著比能量高、功率性能好等優勢，但是碳電極與金屬鋰的電位接近，當電池過充電時容易在碳電極表面析出金屬鋰形成鋰枝晶，鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路等安全隱患問題。同時，碳負極電池在首次化成時電極表面還原形成表面膜(SEI膜)，SEI膜的形成和修復過程會消耗電解液，造成不可逆容量加大，電池衰減加劇而影響電池使用壽命。尖晶石結構的鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位約1.5V，不會形成鋰枝晶，在充放電過程中體積應變小於 1%，並且納米化的鈦酸鋰電池具有大電流充放電能力，能夠數分鐘完成充電，即便是在低溫環境條件下快速充電也難以析出鋰枝晶，所以鈦酸鋰電池具有迴圈壽命長和安全性能優異的特點，可以保障快速充電應用領域電池的耐久性和安全性。因此，以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池在電動汽車要求高安全性、高穩定性和長壽命週期的應用領域具有獨特的優勢。
三、 鈦酸鋰動力電池的產業化
2008年東芝報導了4.2Ah SCiB超級鋰電池(Super Charge ion Battery)高功率鈦酸鋰鋰離子動力電池，標稱電壓為2.4V，能量密度約為67.2Wh/kg(131.6Wh/L)。由10個單元串聯組成的標準模組能量密度約為50.4 Wh/kg(74.7 Wh/L)。在快速充放電條件下〔25℃，10C(42A)充電，15A放電〕，充放電迴圈3 000次，容量衰減不到10%。以50A的大電流進行快充，電池單元及標準模組均可在5min充滿90%以上的容量。電池還具有良好的低溫放電性能，在-30℃仍可放出80%以上的容量。
同期美國EnerDel、Altairnano公司也報導了各自研發的鈦酸鋰動力電池適用于電動車和儲能領域。美國EnerDel公司開發的5Ah混合動力車用鋰離子電池，正極使用尖晶石錳酸鋰(LiMn2O4)材料。電池單元以50C倍率連續放電可以放出1C容量的95%以上，電池的溫度僅有34.4℃。在-30℃的條件下，以1C倍率放電仍可放出90%以上的容量。迴圈壽命方面，在55℃的高溫下，即使多次進行100%DOD 5C充放電迴圈，1 000次迴圈後仍有95%以上的容量保持率，顯示出優異的性能。美國Altair Nanotechnologies公司開發的10Ah高功率鋰離子電池，以Li4Ti5O12為負極材料，鈷酸鋰(LiCoO2)基材料為正極，100%DOD 10C充放電迴圈壽命更是高達20 000次以上，在50%荷電狀態下10s輸出功率密度接近5 000W/kg，10s輸入功率密度大於4 000W/kg，並且具有優異的低溫放電性能，即使在-40℃的低溫下，電池的平均電壓仍達到2.1V以上，可以放出60%以上的容量。電池的熱穩定性能也十分優異，即使在240℃的高溫下，將電池儲存30min 後不冒煙、不著火、不爆炸。從此以鈦酸鋰為負極的鋰離子動力電池成為國內外公司和科研院所研發的熱點。
鈦酸鋰電池的工作電壓一般在2.2~2.5V，是碳負極電池工作電壓的2/3左右，在比能量相同的情況下，需要鈦酸鋰電池的數量會多出1/3，因此鈦酸鋰電池每瓦時的成本稍高。但是考慮10年以上的使用壽命，其長週期使用成本則大大降低。近年來，我國採用鈦酸鋰電池為動力源的新能源汽車已開始投入運營，鈦酸鋰電池已實現國產化。已有鈦酸鋰電池應用報導的國內企業包括湖州微宏動力有限公司(簡稱“微宏動力”)、中信國安盟固利電源技術有限公司(簡稱“盟固利”)、珠海銀隆新能源有限公司(簡稱“珠海銀隆”)、 安徽天康(集團)股份有限公司(簡稱“安徽天康”)等，應用於快充型純電動客車、插電式混合動力客車、雙源無軌電車等。
2011年微宏動力推出10Ah鈦酸鋰電池，應用於快充純電動及混合動力公車，在重慶經過1年多的運行，行駛5萬多千米，充電2 000多次，在重慶山地和44℃高溫的考驗下，經測試衰減不到1%。
2013年盟固利推出8.5Ah鈦酸鋰電池，單體電池6C充放電迴圈12 000次容量保持初始容量的90%，電池組的壽命預計將達到80%，15 000次;6C可充入91%容量，12C可充入85%容量。2014年初試運行於北京雙源無軌電車，如圖2所示。每天充放電約30次，運行一年後隨機對電池進行測試，測試資料顯示運行一年後電池容量及功率均無衰減，見圖3。2014年底盟固利為北京公交集團進一步提供了30套鈦酸鋰電池系統。
圖2 盟固利為北京公交集團提供的鈦酸鋰電池及運行車輛
圖3 運行一年後盟固利鈦酸鋰電池容量和功率曲線
珠海銀隆於2010年收購了掌握先進鈦酸鋰電池技術的Altair Nanotechnologies公司51%的股份，開始投產鈦酸鋰電池，主要產品是180Ah的環形電池和45Ah的圓柱電池，應用于儲能和電動汽車領域。據報導2014年底在珠海投放了500輛純電動公車。
當前國內鈦酸鋰電池性能與國外差距不大，鈦酸鋰電池具有快速充電、長壽命、高安全和良好的低溫特性等優點，用於新能源汽車領域正逐漸獲得青睞。北汽福田汽車股份有限公司、中通客車、金龍聯合汽車工業(蘇州)有限公司、廈門金龍汽車集團股份有限公司、安徽安凱汽車股份有限公司、寧波南車時代傳感技術有限公司等多家主流客車廠已相繼推出鈦酸鋰動力電池的新能源客車。
四、鈦酸鋰動力電池的應用前景
據國家發展改革委介紹，2015年力爭在北京六環內建成平均服務半徑為5kg的充電網路，下一步將重點在社會公共停車場和京津冀高速路服務區等領域建充電樁。屆時，鈦酸鋰電池的快充優勢將得到充分發揮，並且未來充電網路的大面積覆蓋使裝有鈦酸鋰電池的電動車能隨時、隨地充電，人們會漸漸淡化對鈦酸鋰電池能量密度的要求。隨著今後補貼政策的逐年遞減，相信未來單次迴圈成本較低、安全可靠的鈦酸鋰動力電池會被廣泛應用成為電池領域的佼佼者。
除了新能源汽車領域，鈦酸鋰電池在儲能和軌道交通領域也將體現應用優勢。2014年10月，東芝公司宣佈從電力服務公司ENERES接到了1萬台輸出功率10kW、容量9.9kWh的蓄電池池系統訂單。2014年11月，東芝宣佈將向日本東北電力公司實施的“西仙台變電站頻率變動對策蓄電池系統實證專案”提供輸出功率為40MW的蓄電系統，容量為20MW時，採用20Ah電池單元SCiB。蓄電系統用於應對輸出功率隨氣象條件變化的風力發電和光伏發電的頻率變動。
在軌道交通領域2014年12月，東芝對外宣稱該公司已經向東武鐵道株式會社供應牽引式儲能系統(TESS)。列車駛入車站時，TESS會儲存列車減速產生的牽引能，並在加速駛離車站時釋放。我國2014年中信國安盟固利為長客動車提供了鈦酸鋰電池系統作為動力輔助電源。在中國東北高寒地區運行，使用工況為9C充電，10C放電，當列車駛入車站時，電池系統回收列車減速產生的牽引能，加速駛離車站時釋放電能。考慮到動車對電池的低溫性能、安全性和壽命作為主要要求指標，鈦酸鋰電池或將成為動車啟動和備用電源的最合適選擇。
鈦酸鋰電池憑藉自身的顯著優勢投入市場，並將接受市場的檢驗，最終成績如何，尚需等待市場來評判。
碳負極材料電池有著比能量高、功率性能好等優勢，但是碳電極與金屬鋰的電位接近，當電池過充電時容易在碳電極表面析出金屬鋰形成鋰枝晶，鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路等安全隱患問題。同時，碳負極電池在首次化成時電極表面還原形成表面膜(SEI膜)，SEI膜的形成和修復過程會消耗電解液，造成不可逆容量加大，電池衰減加劇而影響電池使用壽命。尖晶石結構的鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位約1.5V，不會形成鋰枝晶，在充放電過程中體積應變小於 1%，並且納米化的鈦酸鋰電池具有大電流充放電能力，能夠數分鐘完成充電，即便是在低溫環境條件下快速充電也難以析出鋰枝晶，所以鈦酸鋰電池具有迴圈壽命長和安全性能優異的特點，可以保障快速充電應用領域電池的耐久性和安全性。因此，以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池在電動汽車要求高安全性、高穩定性和長壽命週期的應用領域具有獨特的優勢。三、 鈦酸鋰動力電池的產業化
2008年東芝報導了4.2Ah SCiB超級鋰電池(Super Charge ion Battery)高功率鈦酸鋰鋰離子動力電池，標稱電壓為2.4V，能量密度約為67.2Wh/kg(131.6Wh/L)。由10個單元串聯組成的標準模組能量密度約為50.4 Wh/kg(74.7 Wh/L)。在快速充放電條件下〔25℃，10C(42A)充電，15A放電〕，充放電迴圈3 000次，容量衰減不到10%。以50A的大電流進行快充，電池單元及標準模組均可在5min充滿90%以上的容量。電池還具有良好的低溫放電性能，在-30℃仍可放出80%以上的容量。
同期美國EnerDel、Altairnano公司也報導了各自研發的鈦酸鋰動力電池適用于電動車和儲能領域。美國EnerDel公司開發的5Ah混合動力車用鋰離子電池，正極使用尖晶石錳酸鋰(LiMn2O4)材料。電池單元以50C倍率連續放電可以放出1C容量的95%以上，電池的溫度僅有34.4℃。在-30℃的條件下，以1C倍率放電仍可放出90%以上的容量。迴圈壽命方面，在55℃的高溫下，即使多次進行100%DOD 5C充放電迴圈，1 000次迴圈後仍有95%以上的容量保持率，顯示出優異的性能。美國Altair Nanotechnologies公司開發的10Ah高功率鋰離子電池，以Li4Ti5O12為負極材料，鈷酸鋰(LiCoO2)基材料為正極，100%DOD 10C充放電迴圈壽命更是高達20 000次以上，在50%荷電狀態下10s輸出功率密度接近5 000W/kg，10s輸入功率密度大於4 000W/kg，並且具有優異的低溫放電性能，即使在-40℃的低溫下，電池的平均電壓仍達到2.1V以上，可以放出60%以上的容量。電池的熱穩定性能也十分優異，即使在240℃的高溫下，將電池儲存30min 後不冒煙、不著火、不爆炸。從此以鈦酸鋰為負極的鋰離子動力電池成為國內外公司和科研院所研發的熱點。
鈦酸鋰電池的工作電壓一般在2.2~2.5V，是碳負極電池工作電壓的2/3左右，在比能量相同的情況下，需要鈦酸鋰電池的數量會多出1/3，因此鈦酸鋰電池每瓦時的成本稍高。但是考慮10年以上的使用壽命，其長週期使用成本則大大降低。近年來，我國採用鈦酸鋰電池為動力源的新能源汽車已開始投入運營，鈦酸鋰電池已實現國產化。已有鈦酸鋰電池應用報導的國內企業包括湖州微宏動力有限公司(簡稱“微宏動力”)、中信國安盟固利電源技術有限公司(簡稱“盟固利”)、珠海銀隆新能源有限公司(簡稱“珠海銀隆”)、 安徽天康(集團)股份有限公司(簡稱“安徽天康”)等，應用於快充型純電動客車、插電式混合動力客車、雙源無軌電車等。
2011年微宏動力推出10Ah鈦酸鋰電池，應用於快充純電動及混合動力公車，在重慶經過1年多的運行，行駛5萬多千米，充電2 000多次，在重慶山地和44℃高溫的考驗下，經測試衰減不到1%。
2013年盟固利推出8.5Ah鈦酸鋰電池，單體電池6C充放電迴圈12 000次容量保持初始容量的90%，電池組的壽命預計將達到80%，15 000次;6C可充入91%容量，12C可充入85%容量。2014年初試運行於北京雙源無軌電車，如圖2所示。每天充放電約30次，運行一年後隨機對電池進行測試，測試資料顯示運行一年後電池容量及功率均無衰減，見圖3。2014年底盟固利為北京公交集團進一步提供了30套鈦酸鋰電池系統。
圖2 盟固利為北京公交集團提供的鈦酸鋰電池及運行車輛
圖3 運行一年後盟固利鈦酸鋰電池容量和功率曲線
珠海銀隆於2010年收購了掌握先進鈦酸鋰電池技術的Altair Nanotechnologies公司51%的股份，開始投產鈦酸鋰電池，主要產品是180Ah的環形電池和45Ah的圓柱電池，應用于儲能和電動汽車領域。據報導2014年底在珠海投放了500輛純電動公車。
當前國內鈦酸鋰電池性能與國外差距不大，鈦酸鋰電池具有快速充電、長壽命、高安全和良好的低溫特性等優點，用於新能源汽車領域正逐漸獲得青睞。北汽福田汽車股份有限公司、中通客車、金龍聯合汽車工業(蘇州)有限公司、廈門金龍汽車集團股份有限公司、安徽安凱汽車股份有限公司、寧波南車時代傳感技術有限公司等多家主流客車廠已相繼推出鈦酸鋰動力電池的新能源客車。
四、鈦酸鋰動力電池的應用前景
據國家發展改革委介紹，2015年力爭在北京六環內建成平均服務半徑為5kg的充電網路，下一步將重點在社會公共停車場和京津冀高速路服務區等領域建充電樁。屆時，鈦酸鋰電池的快充優勢將得到充分發揮，並且未來充電網路的大面積覆蓋使裝有鈦酸鋰電池的電動車能隨時、隨地充電，人們會漸漸淡化對鈦酸鋰電池能量密度的要求。隨著今後補貼政策的逐年遞減，相信未來單次迴圈成本較低、安全可靠的鈦酸鋰動力電池會被廣泛應用成為電池領域的佼佼者。
除了新能源汽車領域，鈦酸鋰電池在儲能和軌道交通領域也將體現應用優勢。2014年10月，東芝公司宣佈從電力服務公司ENERES接到了1萬台輸出功率10kW、容量9.9kWh的蓄電池池系統訂單。2014年11月，東芝宣佈將向日本東北電力公司實施的“西仙台變電站頻率變動對策蓄電池系統實證專案”提供輸出功率為40MW的蓄電系統，容量為20MW時，採用20Ah電池單元SCiB。蓄電系統用於應對輸出功率隨氣象條件變化的風力發電和光伏發電的頻率變動。
在軌道交通領域2014年12月，東芝對外宣稱該公司已經向東武鐵道株式會社供應牽引式儲能系統(TESS)。列車駛入車站時，TESS會儲存列車減速產生的牽引能，並在加速駛離車站時釋放。我國2014年中信國安盟固利為長客動車提供了鈦酸鋰電池系統作為動力輔助電源。在中國東北高寒地區運行，使用工況為9C充電，10C放電，當列車駛入車站時，電池系統回收列車減速產生的牽引能，加速駛離車站時釋放電能。考慮到動車對電池的低溫性能、安全性和壽命作為主要要求指標，鈦酸鋰電池或將成為動車啟動和備用電源的最合適選擇。
鈦酸鋰電池憑藉自身的顯著優勢投入市場，並將接受市場的檢驗，最終成績如何，尚需等待市場來評判。