鈦酸鋰電池概念大熱,用在電動汽車上的優缺點到底是啥?

2020-11-25 第一電動網

先說一下總結性的看法：鈦酸鋰是一種有用的材料，只是優缺點都比較明顯。能量密度低是其最為突出的問題，所以更適合於一些特種的電動汽車的用途，想讓汽車跑遠點的都請忽略它。

然後再吐槽一下：鋰電池，肯定得有正極和負極材料，說不清楚分別是什麼，分析其好用難用都無從談起。鈦酸鋰電池這個概念倒底算是啥，也沒說明鈦酸鋰當正極還是負極，不過沒關係，說到這裡咱就乾脆都分析一下。

首先貼一下文獻對鈦酸鋰的簡介：

翻譯一下上圖的英文：

175mAh/g的理論容量，對鋰電位1.5V----因此也不會產生SEI，不可逆容量低(所以這個材料壽命和安全性好)，嵌脫鋰時體積應變只有不到0.2%，所以材料結構特別穩定。製成時是Li4Ti5O12，充電滿後是Li7Ti5O12。該材料安全，壽命長，在功率型以及低溫用途下表現出色。

下面開始分析：

容量不低，175mAh/g，但是這只是容量，不是能量，電壓乘以電量得到的才是能量。此材料電壓是1.5V，OK。

問題來了，這個材料倒是既可以做正極，也可以做負極。如果做正極的話，那基本就要和石墨負極配，得到的電池基本就是1.5V的電池(一般鋰電池，3.4，3.7V的都有，現在好像還有4V的)。但是這也太搓了，電壓如此低，得到的電池能量密度也比較慘，看看電壓差別，就知道，能量密度起碼跌一半。你們整天嫌電動車跑不遠，就是因為電池能量密度差，你再看看它。

還沒完，它如果做正極，先充電的話要嵌鋰，這就要求負極必須含鋰。一般用的負極，比如石墨，都是不含鋰的，這就要求鋰化。鋰化的石墨/矽負極這個技術似乎已經有，不過我聽來我們這裡介紹的日本專家講了講，感覺可不像是什麼已經比較成熟的技術，至少個人認為比鈦酸鋰離實用還要遠。總之，當正極感覺十分不靠譜……

如果做負極的話，OK，這是它的本行吧。它電壓是高一點，不過正好與電解液穩定共存，不會生成SEI膜。因此材料安全性不錯，材料充放電時應變又小，被譽為「零應變材料」，總之壽命長，大倍率充放也比較耐受，聽說有一萬次的壽命。

但是，樹上的鳥兒成雙對~~~~~~~~~~，它做負極的話，與幾種正極材料配合的情況如何？

電池的正負極相配是比較重要的內容：比如這個負極特別牛，一萬次的壽命，可惜正極只能撐500下……一樣沒戲。幾種典型的正極材料，如三元(現在也不錯了)，鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳酸鋰中，磷酸鐵鋰仍然是毫無疑問的壽命最高的(雖然你們老吐槽鐵鋰這這那那)，磷酸鐵鋰的功率性能也很好(參見上次磷酸鐵鋰電池的回答)，因此個人認為和鈦酸鋰配合還比較靠譜。不過這種電池，電壓只有3.4-1.5=1.9V，基本還是一個慘(普通磷酸鐵鋰電池，以石墨為負極，3.3V左右的電壓)。能量密度也相應的非常寒磣。

總之，鈦酸鋰這個材料，要麼電壓再低點(當負極)，要麼電壓再高一點(牛B無敵新正極)，可能境遇都要好很多。

此外，這個材料價格貴是肯定的(RMB/kg)，畢竟鈦不是什麼特別便宜的東西，你再便宜能有錳鐵便宜？再加上能量密度低(WH/kg)，所以算單位能量(RMB/WH)的價格時，只會更缺乏競爭力。(你們天天嫌電動車貴)說來說去，其實人家也有優點，材料穩定，安全，大倍率功率性能良好，因此對於「快充」 「功率型」用途，一定是比較適合的，這一點沒有問題，人家沒撒謊。

但是，這種功率型用途是靠犧牲能量密度得來的，以前裝100kg電池，現在如果還想跑那麼遠，就要裝200kg……所以相應的也就做了一些調整，比如就少裝電池，然後跑一趟充一次，每次都快充。 其實我覺得，這也算是一種成功的運行模式。只不過真的得把單位能量(RMB/WH)的價格這筆帳算清楚，畢竟受認可的產品，成本一定得有點競爭力，而在這點上鈦酸鋰好像不太樂觀。

另外一個快充，電流大，略危險，能量損失率高，算了……我覺得我像是一個快充黑，總之快充有優點，也有不足，客觀看待吧~~【相關閱讀：光說幾分鐘充滿，其它性能都不說的快充技術，都是耍流氓】

PS：鈦酸鋰做負極與磷酸鐵鋰配合，充分發揮穩定、長壽命、高功率的優點時，做一些功率型、儲能型電池，還是比較靠譜的，貌似有廠家有這個產品。

作者是清華大學能源網際網路創新研究院副研究員，高級工程師。2012年畢業於清華大學材料系，獲工學博士學位；2011年曾赴德國TU Darmstadt學習電化學。研究領域主要為無機材料、能源材料、鋰離子電池、儲能技術和能源網際網路。

來源：第一電動網

作者：劉冠偉

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