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微宏動力快速充電鈦酸鋰LpTO電池系系統及應用

2013年12月30日 04:12
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成果簡介:微宏鈦酸鋰LpTO電池+快速充電=城市公共交通電動化最佳解決方案

在新能源汽車領域,電池組的設計是車輛整體設計的重要組成,電池也是目前公認的電動汽車發展的瓶頸。憑借在材料領域的豐富積累,微宏選擇了鈦酸鋰(Li4Ti5O12,LTO)材料,作為負極材料取代石墨,使得鋰離子電池在循環壽命、快速充電能力以及安全性能上得到了極大的提升。然而,普通的鈦酸鋰電池存在難以解決的脹氣難題,極大地影響了電池組的壽命。微宏對現有LTO材料進行改性,并同時對正極材料、隔膜以及電解液進行了相應的改性開發,經過系統整合,成功地解決了脹氣的問題,開發出了更安全與超長循環壽命的LpTO電池。

更長的循環壽命

微宏鈦酸鋰LpTO電池在6C充電6C放電,100%DOD的情況下能夠實現25,000的循環壽命,剩余容量超過80%;這一性能是目前市場上其他類型電池的10倍以上。

快速充電能力

LpTO電池及電池組能夠以6C的充電倍率進行充電,電池充滿電所需要的時間小于10分鐘,極大地提高了充電效率,充電像加油一樣快。而目前一般電動車的充電時間為4小時或以上。

更安全的鋰離子電池

與此同時,微宏先進的LpTO技術改進了采用石墨負極電池的內在缺陷,電池自身的安全特性得到了提升,是目前最安全的鋰離子電池。

結合鈦酸鋰LpTO電池的快速充電能力與超長循環壽命的特點,快速充電鈦酸鋰LpTO電池系統尤其適用于電動城市公交、場地用車、機場擺渡車、軌道交通以及儲能等應用領域。近年來,這一先進的電池系統目前已經成功地應用在多個領域,尤其在城市公共交通領域得到了充分的發展并通過了實際使用環境的驗證。利用鈦酸鋰LpTO電池高倍率充放與長循環使用壽命的優勢,快充純電動公交客車裝配滿足公交線路單趟或往返行駛所需要的電池即可,同時在公交線路的起始站點設置快速充電站,利用公交客車在停站休息時間對電池快速充電,充電時間少于10分鐘。這樣就可以滿足公交客車的日常運營,而其長使用壽命的特點能夠保證車輛在運營年限內無須更換電池。

截至2013年7月,采用鈦酸鋰LpTO快速充電電池系統的車輛已接近900臺。兩年多的實際商業運營結果表明,微宏鈦酸鋰LpTO快速充電電池系統是目前城市公共交通電動化最佳的解決方案。這一技術經過理論與時間的檢驗,正受到越來越多用戶的關注。

成果創新點及解決的難點問題

不脹氣的鈦酸鋰LpTO電池

鈦酸鋰電池并非新近的發明,長期以來制約其大規模應用的主要原因在于鈦酸鋰材料與電池內部其他材料發生的化學反應導致脹氣的發生,使得鈦酸鋰電池在循環數百次以后會由于脹氣問題嚴重降低其電性能。微宏開發的LpTO材料針對普通鈦酸鋰材料進行改性,在根本上解決了鈦酸鋰電池的脹氣問題,大幅提高了量產鈦酸鋰電池的使用壽命。

電池性能改進是單個材料的性能的提升以及各關鍵材料的有機整合的綜合體現。針對快速充電與長使用壽命的要求,除負極材料以外,微宏針對鋰離子電池的其他關鍵原材料(包括正極材料、隔膜、以及電解液)也進行了開發,同時結合特殊的工程化工藝經驗,最終形成了“不脹氣”的鈦酸鋰LpTO電池產品,并首先實現了在電動公交客車上的批量應用。測試數據表明,在6C充電,6C放電,100%DOD的條件下,鈦酸鋰LpTO單體電池的循環壽命超過25,000次,剩余容量超過80%,同時電芯產生的脹氣現象不明顯,不影響其壽命;在重慶投運的快速充電純電動公交的實際應用情況也表明,在電池成組以后,電性能在商業化運營表現上也相當優異。

鈦酸鋰LpTO電池可快速充電,同時壽命更長

我們對運營時間超過2年,同時也是運營里程最長的一輛純電動快速充電公交客車上所裝配的鈦酸鋰LpTO電池組的數據進行了統計。

圖1統計了電池組單次充電所需要的時間。充電時間范圍在5-13分鐘之間,而絕大部分時候充電時間在10分鐘以內。單次充電所充入的電量在20-50 kWh之間,經統計平均充入電量為31.9 kWh。總計為充電近3000次,保證了每天的日常運營。

圖1. 車輛充電時間統計

從圖2可以看到,從2011年4月至今,電池組的充放循環次數達到近3,000次,其容量保持約在初始容量的98%,電池組的整體壽命預計將達到15,000次(容量下降到初始容量的80%),基本上可以滿足電池組與車輛同壽命周期的預期。

圖2. 電池組容量衰減情況

鈦酸鋰LpTO電池安全性能高

憑借對電池原料的技術改性,尤其是LpTO負極材料的應用,電池的安全性能得到了極大的提高。圖3是幾種目前常用在新能源汽車尤其是純電動公交與混合動力公交的電池與LpTO電池在同等條件下的穿刺測試對比照片。電池均為10Ah軟包裝單體,在相同的測試條件下,采用三元材料(NCM)作為正極,石墨(C)做負極的電池出現起火現象;采用磷酸鐵鋰(LFP)作為正極,石墨(C)做負極的電池產生了濃密的煙霧;

圖3. 碳負極與LpTO負極10Ah軟包裝電池穿刺對比安全測試截圖

而使用LpTO技術的電池則無異常現象出現,同時電池電壓亦顯示正常。這是因為LpTO電池從基礎上改進了現有其他體系的鋰離子電池潛在的安全問題。

在某些更極端的測試條件下,LpTO電池也表現出較強的安全特性。圖3分別展示了LpTO電池在經過并聯穿刺試驗,或多次切斷后的實物照片。可以看到,電池在并聯穿刺后并未發生起火或者爆炸,而經過多次切斷試驗后還能保持其電壓。

圖4. LpTO電池10并穿刺測試及切斷測試后實物照片

成果應用情況

目前微宏鈦酸鋰LpTO電池在重慶公交進行了批量的商業化運營,并取得了成功的經驗。重慶正在營運的車輛包括快速充電純電動及快速充電插電式混合動力兩類車型。

其中,31臺車輛為快速充電純電動公交車型,分別于2011年4月投運6臺,2012年7月投運17臺,2012年8月投運8臺。截至2013年3月,快速充電純電動公交巴士在重慶公交687、689兩條線路上的累計運營里程達到了71萬公里,其中運營里程最長的車輛近6萬公里,總體運營情況良好。

圖5. 重慶渝北空港電動客車快充電站及運營車輛

10分鐘左右的充電時間可以保證公交客車的正常運營,然而一般來說,大倍率的充電對電池的壽命有較大的影響,尤其是要在10分鐘以內將電池充滿,需要5C的充電倍率,這對電池的壽命是一個考驗。實際的運營數據統計來看,即便在這樣較大倍率放電的情況下,鈦酸鋰LpTO電池組容量的衰減為2%左右,充分體現了其快充與長使用壽命的特點。從統計數據來看,快速充電純電動巴士的商業運營模式經過兩年的實際營運驗證,電池組經受住了重慶的酷暑與嚴冬的考驗。

從2012年年初至今,共投運了超過800余臺快速充電插電式混合動力公交客車車型,這些車輛分布在重慶各條主要公交干線上。這些投運的車輛獲得了乘客及公交用戶一致的好評。

與此同時,微宏鈦酸鋰LpTO電池技術,憑借其鮮明的技術特點,正獲得其他城市的青睞,同時也獲得了其他應用領域客戶的關注,在未來必將有更為廣闊的應用前景。

成果的產能建設情況

社會及經濟效益

當前全球各國都在積極推動新能源汽車的技術發展與應用,而城市公共交通最為適合初期的廣泛推廣。微宏的動力電池正負極材料、電解液和隔膜技術3個關鍵技術都已獲得國際專利認可。在公共交通領域,新能源汽車在重慶等地示范運行取得較好的節能減排效果。

一直以來,電動汽車的廣泛應用與充電站場設施的建設存在著誰先誰后的矛盾,在電動汽車尚未大規模應用的情況下,充電站建設很難在短期內收回投資。快充充電站相對慢充電站而言,整體投資更低,通過日常的運營收入與未來向個人電動車輛的售電收入,能夠快速收回成本;同時利用不斷增加的電動化公交線路,在未來能夠逐步形成城市充電網絡,為城市的電動化未來打下良好的基礎。

城市公共交通作為城市日常運行的重要組成,其電動化對城市節能減排具有深遠意義。而微宏的快充技術為城市交通電動化的進程提供了一條更佳的途徑。短期來看,這一技術為城市公共交通電動化提供了一條商業化可行的發展道路;而從長遠綜合考慮,快速充電目前已經成為國際電動車領域的一個發展方向,快充技術對于電動化未來也具有重要的戰略意義。

編輯:susan