鋰電池數據中心未來發展應用展望

鋰電池包括鋰金屬電池和鋰離子電池，通常所說的鋰電池是鋰離子電池，其特點是不含有金屬態的鋰，支持反覆充放電使用。　　　

從1991年SONY公司推出第一隻商用鋰離子電池,到2009年華為在通信基站大規模使用鋰電,再到2016年電動車(鋰電)市場爆發,目前,全球前十鋰電廠商的動力電池銷量接近90GWh。　　

而隨著鋰離子電池(簡稱:鋰電池)的能量密度和安全性能的持續提升、成本的持續降低,鋰電池在通信領域、電力領域、動力汽車領域、數據中心等領域的需求越來越大,鋰電正在向著成為新一代主流能源的方向穩步邁進。

為什麼要用鋰電池(見圖1)

鉛酸電池在通信行業領域數十年來長期佔主導地位。但鉛酸電池循環壽命短、佔地大、對機房承重要求高,生產製程容易造成環境汙染,各國的鉛酸電池發展都趨於萎縮,中國鐵塔已經明確不再招標鉛酸電池。而鋰電池具有能量密度高、佔地小、長循環壽命等鉛酸不具備的優勢。伴隨著鉛酸電池市場佔有率快速下降,鋰電池在全球的應用急劇增加,其中5G站點幾乎全部被鋰電池覆蓋,數據中心的鋰電池應用在國外一些大型的ISP客戶也在開始規模使用。可以預測未來3～5年的時間內,鋰電池市場份額將接近或超過鉛酸電池,鋰電池未來佔據市場主導已經是各行業領域的共識。

電池技術路線趨勢（見圖2）

13C類:鈷酸鋰提升充電電壓上限,持續提升能量密度;預計2025年後,全固態電解質可進一步提升電壓,逐步逼近材料理論上限4.9V;2動力:高端EV三元(液態)提升Ni含量+充電電壓提升能量密度,Ni含量(811)和電壓(4.25V)後能量密度提升不明顯;預計2025年後全固態電解質商用，電壓可以進一步提升；中低端EV+大巴，轉向磷酸鐵鋰路線;3循環儲能:磷酸鐵鋰材料克容量(當前155mAh/g)已接近理論極限(172mAh/g),電壓提升已達到極限;主要向循環和安全特性演進;鈉離子電池是未來潛在選項:原材料廉價,復用鋰電產業鏈;4短時備電:磷酸鐵鋰，安全、壽命、性價比最優，向功率密度提升、安全等特性演進；未來預計為電池+電容等複合路線。

鋰電池的基本參數和工作原理

1鋰電池基本參數概念 

電池容量(Ah):在一定條件下(放電率、溫度、終止電壓等)電池放出的電量,通常以安培·小時為單位。    

充放電倍率(C):充放電倍率=充放電電流/額定容量。

2鋰電池工作原理介紹 

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。　　　　

正極材料:可選的正極材料很多,主流產品為磷酸鐵鋰和三元(鎳鈷錳或鎳鈷鋁)。　　　　

負極材料:多採用石墨。　　　

以磷酸鐵鋰電池為例:

正極反應:放電時鋰離子嵌入,充電時鋰離子脫嵌。　　

充電時:　　        

放電時:

負極反應:放電時鋰離子脫嵌,充電時鋰離子嵌入。　　

充電時:       

放電時:　　

鋰電池種類(一般按照正極材料分類):鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、三元鋰(NCM)。

數據中心推薦採用什麼材質鋰電池?

1推薦選用磷酸鐵鋰材質「Goodenough」 

2019年諾貝爾化學獎授予了JohnB Goodenough、M.Stanley Whittingham和Akira Yoshino,以表彰他們在鋰離子電池發展上所做的貢獻。　　　　尤其John Goodenough成為歷史上最高齡的諾獎得主,其一生對於鋰電池的探索尤為令人敬佩,磷酸鐵鋰(LFP)作為他的重要貢獻之一,磷酸鐵鋰也被認為是目前最安全,最環保的鋰離子電池正極材料。鋰電池,尤其是磷酸鐵鋰在數據中心和通訊基站的應用,就如同老爺子的名字一樣,已經Goodenough了。

2為什麼推薦採用磷酸鐵鋰材質? 

目前業界主流的鋰電池分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰。鈷酸鋰主要應用與手機電池行業;錳酸鋰主要應用於電動自行車行業;磷酸鐵鋰廣泛應用於大巴車/公交車儲能,儲能電站;三元鋰廣泛應用於家用車/計程車儲能,儲能電站行業。數據中心場合目前普遍採用磷酸鐵鋰和三元鋰兩種電芯,磷酸鐵鋰可靠性更高,三元鋰能量密度有優勢。

1、磷酸鐵鋰結構更穩定

從分子結構來看,磷酸鐵鋰分子結構為橄欖狀三維結構,而鈷酸鋰、三元鋰分子結構都是層狀二維結構,2D層狀結構易坍塌,相對而言,磷酸鐵鋰分子結構更穩定(見圖3)。

2、磷酸鐵鋰熱穩定性高、產熱速率慢,產熱少(見圖4)

·磷酸鐵鋰高溫穩定,高溫下產熱峰值不明顯,峰值產熱功率僅1W左右;　　　

·高溫或高壓下,三元易析氧,加劇燃燒,峰值產熱功速率約80W/min,容易觸發爆炸式燃燒(秒級),系統難以反應控制;　　　　

·總產熱量方面,磷酸鐵鋰顯著低於三元、錳酸鋰等材料(產熱功率曲線與橫軸的面積代表總產熱量)。

3、磷酸鐵鋰熱失控反應不產生助燃劑

磷酸鐵鋰在熱失控後不會產生氧氣,而錳酸鋰、鈷酸鋰、三元鋰在熱失控後都會產生氧氣,因此,更容易起火。而磷酸鐵鋰熱失控所需要的溫度更高,相對而言,錳酸鋰、鈷酸鋰、三元鋰熱失控需要達到的溫度點都遠低於磷酸鐵鋰(見圖5)。

數據中心鋰電池應用的瓶頸

1成本是瓶頸,但未來可期隨著鋰電池在電動汽車、工業儲能、終端設備等行業的大量使用,以及整個行業生態的建立,鋰電池成本成逐年下滑的趨勢。而鉛酸電池(含鉛)成本卻時高時低,未來成本有上升趨勢。因此,在不久的將來,鋰電池的成本優勢會愈發明顯,鋰電池必將在數據中心大規模應用。但是,就目前來看,因為行業鉛酸品牌及價格層次不齊,給我們的感覺還是鋰電池比鉛酸電池貴(見圖6)。

2可靠性仍然是未來鋰電池應用最大的障礙鋰電池儘管應用廣泛,但是無論是電動汽車還是手機都出現過熱失控、起火等事故。在數據中心,則對可靠性要求更高,一旦發生火災,整個數據中心業務可能都會受到嚴重損失(見圖7)。

數據中心鋰電應用安全保證

1鋰電安全性根因 

電池內部在過溫和過壓情況下出現許多放熱副反應,繼而形成熱量正反饋,從而出現熱失控,產生高溫和大量可燃氣體,繼而燃燒。　　　　

電池外部在機械\電\熱激源等刺激下會引發熱的情形,從而引發鋰電池熱失控的潛在危害(見圖8)。

2鋰電安全性保障 

從近幾年鋰離子電池起火事故中可歸納為內部短路、析鋰、高溫、體積變化等原因致起火爆炸發生。使我們也認識到,電芯選擇磷酸鐵鋰並不能萬無一失。所以,在鋰電池的設計應用中應該從電芯+PACK+BMS+系統+雲計算/大數據等多層面保障鋰電池安全才能將鋰電池的熱失控起火事故控制在最低限度(見圖9)。

1電芯材料體系的選擇:優選磷酸鐵鋰,熱失控溫度點高,產熱速率慢、產熱總量少,從根本上保障安全性的機率極高;

2電芯結構安全設計:在機械結構和塗層層面優化設計,可抑制熱失控的發生。　　　　

·機械結構:外短路及過充電濫用,通過fuse,OSD等機械結構及時切斷,抑制溫度上升,阻止連鎖反應至熱失控;　　　　

·功能塗層(化學保護):發生內短路,機械結構不起作用,功能塗層抑制隔離膜收縮,避免大面積短路。

3電池模塊PACK安全設計:電池模塊PACK設計整體從2層4點出發。比如:　　　

·雷射焊規避螺釘鬆脫風險;　　　　

·多溫度傳感器確保模塊內溫、電壓等實時監控;　　　　

·夾緊力保證結構穩定性;　　　　

·絕緣保護板保護正負端子;　　　   

·塑膠絕緣支架,保證電芯間絕緣和結構強度;　　　   

·電芯表面絕緣膜包覆,保證電芯與外部絕緣力。4BMS安全設計:三級BMS架構,常規V、I、T採樣檢測、均衡、閾值告警保護+內短路算法+內溫估計算法+析鋰估計算法,確保電芯不出現熱失控。5系統安全設計:　　　　

·智能電池控制系統,做到單組電壓、電流、功率可控,避免出現偏流、環流情況;　　　　

·機櫃級消防系統，做到熱失控快速抑制，精準、高效、環保。6AI智能安全保證:關鍵數據上傳至雲端,實時監控電池狀態,通過橫向縱向對比+資料庫+安全算法分析,提前進行月/天級安全預警。

數據中心鋰電池應用的挑戰

數據中心鋰電池大量應用除了要解決可靠性及成本問題,事實上,用戶在應用鋰電池時還存在諸多問題,這些問題也將成為未來鋰電池大量應用的關鍵考量。

挑戰1:多櫃並聯的均流問題

多櫃並聯放電,因電芯內阻、容量等不一致、配電的差異等導致的櫃間放電不均流,尤其是在短時大電流放電時,造成電池櫃逐個過流保護。

挑戰2:

新舊電池櫃在線擴容問題鋰電池系統在應用過程中,無法避免部分失效率的問題，或者因負載增大而擴容的需求，就會有新舊電池櫃並聯使用的場景。新舊電池櫃混用因內阻、容量的不一致，會導致嚴重偏流，甚至導致單電池櫃過流斷開。

挑戰3:電芯串聯均壓問題

單組電池內電芯內阻容量等不一致，導致單電芯充電過壓，使得整個電池系統無法充滿電。

挑戰4:故障維護問題

單組電池組內某個電池模塊故障,引起整組電池無法正常工作,如何快速維護更換?

挑戰5:消防問題

當鋰電池入列微模塊數據機房,假如鋰電池櫃內發生火災,如何將火災控制在機櫃內部,不擴散到周邊ICT設備?

終上所述,鋰電池相對於鉛酸有者低承重要求、佔地小、能量密度高、循環壽命長等優勢。所以,未來隨著鋰電池成本的進一步降低,鋰電池在數據中心必將大量應用。在安全保障方面,優先推薦採用磷酸鐵鋰高穩定電芯,其次要從pack、BMS、系統等層面多維度來保障鋰電池的安全應用。然而,事實勝於雄辯,鋰電的可靠性及實際應用需要經得起測試考驗,鋰電在數據中心的大量應用更需要經得起市場驗證。　　　

為此,我們需要對鋰電池進行嚴格的測試以確保其可靠性,其中最為嚴格的一項測試莫過於針刺測試。研究發現,鋰電池的熱失控大多是由於內部發生短路產生。正常使用時發生內部短路的情況幾乎可以忽略，然而，鋰電池在低溫充放電時，鋰電池內部可能會析出鋰枝晶，從而刺穿隔膜,發生內部短路。針刺測試就是模擬內部短路來驗證鋰電池是否會發生熱失控，是否會起火而開展的測試之一。　　　

當然，在實際應用中免不了會涉及到分期擴容需求，那麼鋰電池新舊電池組混並又會如何？多組電池組並聯時，因為鋰電池產品的離散型差異以及外部電纜連接長度不相同等因素造成的不均流度又如何解決？華為將面向行業採用公開測試的方式邀您共同驗證，敬請期待。