钛酸锂电池概念大热,用在电动汽车上的优缺点到底是啥?

刘冠伟

先说一下总结性的看法:钛酸锂是一种有用的材料,只是优缺点都比较明显。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。

然后再吐槽一下:锂电池,肯定得有正极和负极材料,说不清楚分别是什么,分析其好用难用都无从谈起。钛酸锂电池这个概念倒底算是啥,也没说明钛酸锂当正极还是负极,不过没关系,说到这里咱就干脆都分析一下。

首先贴一下文献对钛酸锂的简介:

翻译一下上图的英文:

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~~【相关阅读:光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓】

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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。

作者是清华大学能源互联网创新研究院副研究员,高级工程师。2012年毕业于清华大学材料系,获工学博士学位;2011年曾赴德国TU Darmstadt学习电化学。研究领域主要为无机材料、能源材料、锂离子电池、储能技术和能源互联网。

作者:刘冠伟

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