钛酸锂电池正极为何钛酸锂是最具应用前景的储能技术？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

为何钛酸锂是最具应用前景的储能技术？

来源:中国金融信息网

水能、光能、风能、生物质能……近年来，我国清洁能源产业快速崛起。截至2018年底，我国可再生能源发电装机达到7.28亿千瓦，同比增长12%，占全部电力装机的38.3%。其中，风电、光伏累计装机分别达到1.84亿千瓦和1.74亿千瓦。可再生能源的清洁能源替代作用日益突显，这为储能产业打开了更广阔的发展空间。当下，业界普遍认为，多能互补时代已经到来，储能即将站上风口。

我国《能源发展“十三五”规划》提出，加快优质调峰电源建设，积极发展储能，开展储能示范工程建设，构建能源生产、输送、使用和储能体系协调发展、集成互补的能源互联网，推动储能系统与新能源、电力系统协调优化运行。

加快储能技术与产业发展，对于构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系，推进我国能源行业供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革具有重要战略意义。

储能商业化仍面临挑战

发展储能，意义重大，而储能作为智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术，其市场价值同样可观，“万亿”规模已经成为基本共识，但现阶段商业化的挑战依然不容忽视。

近年来，我国储能产业中，压缩空气储能、飞轮储能，超导储能和超级电容，铅蓄电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速，尤其是锂离子电池作为储能的主要技术路径之一，发展迅速。锂离子电池的负极材料主要集中在碳材料、合金材料和钛酸锂等几类。碳材料虽然具有来源广泛、合成工艺简单、无毒无害等优点，但是碳电极与金属锂的电位接近，当电池过充电时容易在碳电极表面析出金属锂形成锂枝晶，锂枝晶会刺穿隔膜引起短路，带来极大安全隐患风险。如果用合金类材料作为负极替代材料，碳材料部分安全性问题,比能量也有所提高,但是在充放电的过程中,体积容易发生较大变化,同样容易穿透隔膜,造成短路。

除了安全，在储能的商业化过程中，成本过高问题是阻碍储能产业化发展的一大瓶颈。事实上，除抽水蓄能外，铅酸、锂电、钠硫等各类电化学储能，成本都相对较高，在没有储能电价政策和补贴政策的前提下，很难实现盈利。目前中国已建成的储能示范工程验证了储能技术的可行性，但商业化运营模式未能形成。

业内专家认为，储能要推进产业化发展，必须研发长寿命、低成本、高安全的储能产品，提高用户端的使用性价比。

钛酸锂技术有望引领储能产业

安全，从来都是钛酸锂的优点。碳材料、合金材料作为负极的劣势恰恰是钛酸锂的优势。相关研究显示，钛酸锂材料负极能吸收正极发生分解反应释放出的氧气，晶型结构几乎不会发生变化，大幅度降低了电池热失控的风险，使得电池能够在高温、低温环境中均可以达到安全使用标准，破解安全难题。

电池寿命是决定成本的重要因素。钛酸锂电池有望以长寿命来摊薄全生命周期成本，率先实现储能的商业化。据专家介绍，与传统锂离子电池普遍采用的石墨材料相比，钛酸锂材料在充放电嵌脱锂过程中，骨架结构几乎不发生收缩或膨胀，被称为“零应变”材料，避免了一般电极材料脱、嵌锂离子时晶胞体积应变而造成的电极结构损坏的问题，因此寿命得到巨大突破。据实验数据测定，钛酸锂电池的循环寿命可达25000次以上，是普通锂电池4-8倍，寿命可达30年。

提及钛酸锂，不得不提国内最大的全国最大的钛酸锂电池生产企业——银隆新能源。已在全国100多座城市运营的银隆新能源汽车我们非常熟悉，殊不知其实银隆是先行布局储能产业，再布局新能源客车的。银隆早已意识到储能是未来推动新能源产业发展的前瞻性技术并致力于储能技术研发。2017年，银隆与中国电力科学研究院等单位联合研究的“储能用低成本钛酸锂电池研制及系统集成技术开发与应用”项目，在保证钛酸锂电池高安全、长寿命本征特性的同时，使成本大幅下降，被评为北京市科学技术奖二等奖，该技术项目的相关研究成果除了在“国家风光储输示范工程”项目中得到应用外，对于在北京—张家口举办的2022年冬奥会以及北京电动汽车产业的发展，也将发挥重要作用。

除了在安全、寿命方面的优势外，充电速度也是大规模储能比拼的重要指标。数据显示，同等容量，传统锂电池需要充电2-4小时，而钛酸锂电池仅需要6分钟，这被认为具有极强的调峰价值。钛酸锂的高倍率性能能够提供3C配置系统，为用户提供一个最小规模的高倍率系统完成调频等辅助服务，瞬间提供大倍率的输入/输出。

钛酸锂高稳定性和长寿命周期，性能显著优于传统的锂离子电池，使得其在储能的应用场景具有独特的优势，非常适合用于大型储能，被业界称为“最具应用前景的储能电池之一”。

值得一提的是，近年来，银隆已经成功开发出多种储能产品，广泛应用于家庭、小区、工业、交通、电网等多个场景。目前，已建成我国首个兆瓦级的钛酸锂电池储能站，同时也是世界上首个10千伏无变压器直挂电网的电池储能系统的示范工程。

在国外，银隆奥钛1MW频率调节的集装箱储能系统被美国电力公司AES采用，该系统成功验证了银隆奥钛电池可稳定运用于电网调频及其它辅助服务。此外，美国夏威夷自然能源学院，世界第一大风力发电运营商维斯塔斯Vestas均已经成为银隆奥钛集装箱储能系统的用户。

在由中国化学与物理电源行业协会主办的第九届中国国际储能大会上，凭借高安全、长寿命的钛酸锂智能储能产品，银隆新能源被评为“2019年度中国储能产业最具影响力企业”,便是对银隆的推进能源生产和消费革命做出贡献的充分肯定！

未来10大最具潜力的锂电池新材料大盘点！

2022年，我国锂离子电池产量达750GWh，同比增长超过130%，行业总产值突破1.2万亿元。工信部有关负责人表示，2022年，锂电在新能源汽车领域以及风光储能、通信储能、家用储能等储能领域加快兴起并迎来增长窗口期，2022年全国新能源汽车动力电池装车量约295GWh，储能锂电累计装机增速超过130%。据预测，纳米管导电剂市场2025年将增至32万吨，三年增长近170%。本文，小编就来给大家盘点一下，未来最具潜力的10大锂电池新材料。

硅碳复合负极材料

数码终端产品的大屏幕化、功能多样化后，对电池的续航提出了新的要求。当前锂电材料克容量较低，不能满足终端对电池日益增长的需求。

硅碳复合材料作为未来负极材料的一种，其理论克容量约为4200mAh/g以上，比石墨类负极的372mAh/g高出了10倍有余， 其产业化后，将大大提升电池的容量。现在硅碳复合材料存在的主要问题有：

充放电过程中，体积膨胀可达300%， 这会导致硅材料颗粒粉化，造成材料容量损失。同时吸液能力差。循环寿命差： 目前正在通过硅粉纳米化，硅碳包覆、掺杂等手段解决以上问题，且部分企业已经取得了一定进展。

相关研发企业：目前各大材料厂商纷纷在研发硅碳复合材料，如BTR、斯诺、星城石墨、湖州创亚、上海杉杉、华为、三星等。　国内负极材料企业研发硅基材料的情况是：大部分材料商都还处于研发阶段，目前只有上海杉杉已进入中试量产阶段。

钛酸锂

钛酸锂电池是一种锂离子电池，其正极材料为钛酸锂（Li₂TiO₃），负极材料为碳材料。相比于传统的锂离子电池，钛酸锂电池具有更高的安全性、更长的使用寿命和更快的充电速度等优势。钛酸锂电池的正极材料钛酸锂具有较高的化学稳定性和热稳定性，可以提高电池的安全性能。同时，钛酸锂还具有良好的电化学性能和循环稳定性，能够保持长期的高容量和长寿命。钛酸锂电池的负极材料采用碳材料，例如天然石墨、人工石墨、碳纤维等，这种负极材料具有较高的比容量和较长的使用寿命。与此同时，钛酸锂电池的电解液通常采用无水有机溶液体系，例如碳酸二甲酯（DMC）和丙烯腈（AN）混合物，可以提高电池的充电速度和能量密度。由于其安全性、长寿命和快速充电等优点，钛酸锂电池被广泛应用于电动汽车、电动工具、太阳能电池储能系统、电力工具等领域。

近年来，国内对钛酸锂的研发热情较高，钛酸锂的优势主要有：

循环寿命长(可达10000次以上)， 属于零应变材料(体积变化小于1%)，不生成传统意义的SEI膜;安全性高： 其插锂电位高，不生成枝晶，且在充放电时，热稳定性极高;可快速充电。

目前限制钛酸锂使用的主要因素是价格太高，高于传统石墨，另外钛酸锂的克容量很低，为170mAh/g左右。只有通过改善生产工艺，降低制作成本后，钛酸锂的长循环寿命、快充等优势才能发挥作用。结合市场及技术，钛酸锂比较适合用于对空间没有要求的大巴和储能领域。

相关研发企业：珠海银隆、四川兴能、湖州微宏动力有限公司、深圳贝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边的多家规模较小的钛酸锂生产厂家。

石墨烯

利用石墨烯所具有的超薄超轻、优异电化学性能、较高比表面积、电子和离子传导性能及特殊的二维单原子层结构，可以将其应用于动力电池石墨烯负极复合材料、锂电池正极导电剂和石墨烯功能涂层铝箔等。极大地减轻电池重量从而降低整车质量，延长电池使用寿命，大大提高电动汽车的续航里程和充电速度。

石墨烯直接作为负极材料石墨烯直接储锂的优点：

高比容量： 锂离子在石墨烯中具有非化学计量比的嵌入、脱嵌，比容量可达700~2000 mAh/g；高充放电速率： 多层石墨烯材料的层间距离要明显大于石墨的层间距，更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。石墨烯具有良好的导电性能，但其二维微观结构的易相互堆叠导致对石墨烯独立电极材料的研究并不理想。主要表现为电池的倍率性能差、循环效率低等方面。

石墨烯自2010年获得诺奖以来，广受全球关注，特别在中国。国内掀起了一股石墨烯研发热潮，其具诸多优良性能，如透光性好，导电性能优异、导热性较高，机械强度高。石墨烯在锂离子电池中的潜在应用有：

作负极材料： 石墨烯的克容量较高，可逆容量约700mAh/g,高于石墨类负极的容量。另外，石墨烯良好的导热性能确保其在电池体系中的稳定性，且石墨烯片层间距大于石墨，使锂离子在石墨烯片层间扩散通畅，有利于提高电池功率性能。由于石墨烯的生产工艺不成熟，结构欠稳定，导致石墨烯作为负极材料仍存在一定问题，如首次放电效率较低，约65%;循环性能较差;价格较高，明显高于传统石墨负极。作为正负极添加剂： 可提高锂电池的稳定性、延长循环寿命、增加内部导电性能。

鉴于石墨烯当前的批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定，石墨烯将率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。

相关研发企业：珈伟股份，东旭光电，青岛昊鑫新能源，厦门凯纳等

碳纳米管

碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料，自身具有优良的导电性能，同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短，作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小，可提高电池的大倍率充放电性能。

在锂电池的应用中，碳纳米管作为导电剂时，其独特的网络结构不仅能够有效地连接更多的活性物质，出色的电导率也可以大幅降低阻抗。 此外，较大长径比的碳纳米管具有更大的比表面积，与传统导电剂 Super P、石墨相比，它只需很少的添加量便足以在电极内组建高效的三维高导电网络并达到提升电池能量密度的目标。因此，更深入的研发新型碳纳米管导电剂是未来重点关注的方向。据权威部门统计，到2023年碳纳米管导电剂在中国锂离子动力电池市场的渗透率将达到 82.2%。

缺点：碳纳米管直接作为锂电池负极材料时，会存在不可逆容量高、电压滞后及放电平台不明显等问题。如Ng等采用简单的过滤制备了单壁碳纳米管，将其直接作为负极材料，其首次放电容量为1700mAh/g，可逆容量仅为400mAh/g。

碳纳米管在负极中的另一个应用是与其他负极材料(石墨类、钛酸锂、锡基、硅基等)复合，利用其独特的中空结构、高导电性及大比表面积等优点作为载体改善其他负极材料的电性能。

相关研发企业：天奈科技、纳米港等

富锂锰基正极材料

高容量是锂电池的发展方向之一，但当前的正极材料中磷酸铁锂的能量密度为580Wh/kg,镍钴锰酸锂的能量密度为750Wh/kg，都偏低。富锂锰基的理论能量密度可达到900Wh/kg，成为研发热点。

根据《2022-2027年中国富锂锰基正极材料行业市场深度调研及发展前景预测报告》显示，富锂锰基正极材料是一种锂离子电池正极材料，在“碳中和”背景下，全球新能源汽车市场渗透率快速提升，动力电池需求旺盛，与现阶段常见的锂离子电池正极材料相比，富锂锰基正极材料比容量高、续航能力强，是极具发展潜力的下一代新能源汽车锂离子电池正极材料。　　

行业分析人士表示，富锂锰基正极材料放电比容量高，是目前已知锂离子电池正极材料中放电比容量最高的产品之一，远高于市场中常见的三元材料与磷酸铁锂正极材料，可制造高能量密度动力电池，提升动力电池续航能力。并且富锂锰基正极材料中的钴、镍含量仅为三元材料的3成左右，也可以不含钴，进一步降低其成本，其安全性能也高于三元材料电池，因此成为极具潜力的下一代锂离子电池正极材料。　　

富锂锰基正极材料具有放电比容量高、放电电压高、能量密度高、成本低、安全性高、循环寿命长等优点，未来市场潜力大， 我国科研院所正在加快其技术研究步伐。目前富锂锰基存在一系列问题：

首次放电效率很低;材料在循环过程析氧，带来安全隐患;循环寿命很差;倍率性能偏低。

目前解决这些问题的手段有包覆、酸处理、掺杂、预循环、热处理等。富锂锰基虽然克容量优势明显，潜力巨大，但限于技术进展较慢，其大批量上市还需时间。我国富锂锰基正极材料技术研究正在不断深入，当现有瓶颈问题被解决后，有望实现产业化发展。

相关研发企业：中国科学院宁波材料所等

动力型镍钴锰酸锂材料

一直以来，动力电池的路线存在很大争议，因此磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等路线都有被采用。国内动力电池路线以磷酸铁锂为主，但随着特斯拉火爆全球，其使用的三元材料路线引起了一股热潮。

磷酸铁锂虽然安全性高，但其能量密度偏低软肋无法克服，而新能源汽车要求更长的续航里程，因此长期来看，克容量更高的材料将取代磷酸铁锂成为下一代主流技术路线。

镍钴锰酸锂三元材料最有可能成为国内下一代动力电池主流材料。 国内陆续推出三元路线的电动车，如北汽E150EV、江淮IEV4、奇瑞EQ、蔚蓝等，单位重量密度较磷酸铁锂电池有很大提升。

相关研发企业：湖南杉杉、当升科技、厦门钨业、科恒股份等

涂覆隔膜

现阶段我国隔膜市场以湿法隔膜为主，尽管湿法隔膜在性能上领先于干法隔膜，但是在实际的应用中仍会出现一些缺陷，为进一步提升湿法隔膜产品的使用性能，各厂商持续加大对隔膜产品生产工艺的研究，逐步形成了在原有隔膜的基础上涂覆特定材料的涂覆工艺。涂覆本质上是一种改性手段，通过涂覆特定材料，改变基膜的性能，以此满足更加多元化的需求，使用涂覆工艺可以有效的增强隔膜的热稳定性和机械性能。涂覆材料可以分为涂覆颗粒和涂覆溶剂两种，其中涂覆颗粒包括有机和无机两大类，无机材料主要有勃姆石、氧化铝等，有机材料包含PVDF、芳纶等；涂覆溶剂则可以分为水性和油性两种，油性涂覆均匀性和粘性优于水性涂覆，成本比较高，海外电池厂更为青睐。目前隔膜市场中，无机涂覆隔膜的生产工艺更为成熟，且生产的产品可拉伸强度和热收缩率更好，成本较低，因而无机涂覆隔膜占据涂覆隔膜市场的绝大部分市场份额。2019年以来，我国无机涂覆隔膜产品占总涂覆隔膜产品的比重在不断增加，2021年我国无机涂覆在涂覆隔膜中的占比超过95%。

隔膜对锂电池的安全性至关重要，这要求隔膜具有良好的电化学和热稳定性，以及反复充放电过程中对电解液保持高度浸润性。

涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝。涂覆隔膜的作用是：

提高隔膜耐热收缩性，防止隔膜收缩造成大面积短路;涂覆材料热传导率低，防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。

相关研发企业：星源材质、上海恩捷、中材科技、义腾隔膜、天津东皋、璞泰来等

陶瓷氧化铝

在涂覆隔膜中，陶瓷涂覆隔膜主要针对动力电池体系，因此其市场成长空间较涂胶隔膜更大，其核心材料陶瓷氧化铝的市场需求将随着三元动力电池的兴起而大幅提升。

用于涂覆隔膜的陶瓷氧化铝的纯度、粒径、形貌都有很高要求，日本、韩国的产品较成熟，但价格比国产的贵一倍以上。国内目前也有多家企业在研发陶瓷氧化铝，希望减少进口依赖。

氧化铝是一种高硬度的化合物，熔点为2054℃，沸点为2980℃，在高温下可电离的离子晶体。氧化铝作为一种无机物，具有很高的热稳定性及化学惰性，是电池隔膜陶瓷涂层的很好选择。其优点有：

循环寿命长： 降低了循环过程中的机械微短路，有效提升循环寿命；高倍率性： 高纯纳米氧化铝在锂电池中可形成固溶体，提高倍率性和循环性能；高纯纳米氧化铝还具有非常优良的导热性能： 电池温度过高时，这种材料可以很好地进行热量传导，从而解决了PP/PE材料导热性差的问题；良好浸润性： 高纯纳米氧化铝粉末具有良好的吸液及保液能力；高纯纳米氧化铝材料还具有优良的阻燃性： 这是因为氧化铝材料本身就是非常优良的阻燃剂，即使因为温度过高，达到燃烧零界点，该材料的良好的阻燃性能会阻止大范围的燃烧甚至爆炸；电流过大时，能够阻断电流： 随着锂离子电池容量的不断提高，内部蓄积的能量越来越大，内部温度会提高，有可能出现温度过高使负极隔膜被融化而造成短路。