首页动态频道成果案例正文

微宏动力快速充电钛酸锂LpTO电池系系统及应用

2013年12月30日 04:12
文字显示 [大][中][小]

成果简介:微宏钛酸锂LpTO电池+快速充电=城市公共交通电动化最佳解决方案

在新能源汽车领域,电池组的设计是车辆整体设计的重要组成,电池也是目前公认的电动汽车发展的瓶颈。凭借在材料领域的丰富积累,微宏选择了钛酸锂(Li4Ti5O12,LTO)材料,作为负极材料取代石墨,使得锂离子电池在循环寿命、快速充电能力以及安全性能上得到了极大的提升。然而,普通的钛酸锂电池存在难以解决的胀气难题,极大地影响了电池组的寿命。微宏对现有LTO材料进行改性,并同时对正极材料、隔膜以及电解液进行了相应的改性开发,经过系统整合,成功地解决了胀气的问题,开发出了更安全与超长循环寿命的LpTO电池。

更长的循环寿命

微宏钛酸锂LpTO电池在6C充电6C放电,100%DOD的情况下能够实现25,000的循环寿命,剩余容量超过80%;这一性能是目前市场上其他类型电池的10倍以上。

快速充电能力

LpTO电池及电池组能够以6C的充电倍率进行充电,电池充满电所需要的时间小于10分钟,极大地提高了充电效率,充电像加油一样快。而目前一般电动车的充电时间为4小时或以上。

更安全的锂离子电池

与此同时,微宏先进的LpTO技术改进了采用石墨负极电池的内在缺陷,电池自身的安全特性得到了提升,是目前最安全的锂离子电池。

结合钛酸锂LpTO电池的快速充电能力与超长循环寿命的特点,快速充电钛酸锂LpTO电池系统尤其适用于电动城市公交、场地用车、机场摆渡车、轨道交通以及储能等应用领域。近年来,这一先进的电池系统目前已经成功地应用在多个领域,尤其在城市公共交通领域得到了充分的发展并通过了实际使用环境的验证。利用钛酸锂LpTO电池高倍率充放与长循环使用寿命的优势,快充纯电动公交客车装配满足公交线路单趟或往返行驶所需要的电池即可,同时在公交线路的起始站点设置快速充电站,利用公交客车在停站休息时间对电池快速充电,充电时间少于10分钟。这样就可以满足公交客车的日常运营,而其长使用寿命的特点能够保证车辆在运营年限内无须更换电池。

截至2013年7月,采用钛酸锂LpTO快速充电电池系统的车辆已接近900台。两年多的实际商业运营结果表明,微宏钛酸锂LpTO快速充电电池系统是目前城市公共交通电动化最佳的解决方案。这一技术经过理论与时间的检验,正受到越来越多用户的关注。

成果创新点及解决的难点问题

不胀气的钛酸锂LpTO电池

钛酸锂电池并非新近的发明,长期以来制约其大规模应用的主要原因在于钛酸锂材料与电池内部其他材料发生的化学反应导致胀气的发生,使得钛酸锂电池在循环数百次以后会由于胀气问题严重降低其电性能。微宏开发的LpTO材料针对普通钛酸锂材料进行改性,在根本上解决了钛酸锂电池的胀气问题,大幅提高了量产钛酸锂电池的使用寿命。

电池性能改进是单个材料的性能的提升以及各关键材料的有机整合的综合体现。针对快速充电与长使用寿命的要求,除负极材料以外,微宏针对锂离子电池的其他关键原材料(包括正极材料、隔膜、以及电解液)也进行了开发,同时结合特殊的工程化工艺经验,最终形成了“不胀气”的钛酸锂LpTO电池产品,并首先实现了在电动公交客车上的批量应用。测试数据表明,在6C充电,6C放电,100%DOD的条件下,钛酸锂LpTO单体电池的循环寿命超过25,000次,剩余容量超过80%,同时电芯产生的胀气现象不明显,不影响其寿命;在重庆投运的快速充电纯电动公交的实际应用情况也表明,在电池成组以后,电性能在商业化运营表现上也相当优异。

钛酸锂LpTO电池可快速充电,同时寿命更长

我们对运营时间超过2年,同时也是运营里程最长的一辆纯电动快速充电公交客车上所装配的钛酸锂LpTO电池组的数据进行了统计。

图1统计了电池组单次充电所需要的时间。充电时间范围在5-13分钟之间,而绝大部分时候充电时间在10分钟以内。单次充电所充入的电量在20-50 kWh之间,经统计平均充入电量为31.9 kWh。总计为充电近3000次,保证了每天的日常运营。

图1. 车辆充电时间统计

从图2可以看到,从2011年4月至今,电池组的充放循环次数达到近3,000次,其容量保持约在初始容量的98%,电池组的整体寿命预计将达到15,000次(容量下降到初始容量的80%),基本上可以满足电池组与车辆同寿命周期的预期。

图2. 电池组容量衰减情况

钛酸锂LpTO电池安全性能高

凭借对电池原料的技术改性,尤其是LpTO负极材料的应用,电池的安全性能得到了极大的提高。图3是几种目前常用在新能源汽车尤其是纯电动公交与混合动力公交的电池与LpTO电池在同等条件下的穿刺测试对比照片。电池均为10Ah软包装单体,在相同的测试条件下,采用三元材料(NCM)作为正极,石墨(C)做负极的电池出现起火现象;采用磷酸铁锂(LFP)作为正极,石墨(C)做负极的电池产生了浓密的烟雾;

图3. 碳负极与LpTO负极10Ah软包装电池穿刺对比安全测试截图

而使用LpTO技术的电池则无异常现象出现,同时电池电压亦显示正常。这是因为LpTO电池从基础上改进了现有其他体系的锂离子电池潜在的安全问题。

在某些更极端的测试条件下,LpTO电池也表现出较强的安全特性。图3分别展示了LpTO电池在经过并联穿刺试验,或多次切断后的实物照片。可以看到,电池在并联穿刺后并未发生起火或者爆炸,而经过多次切断试验后还能保持其电压。

图4. LpTO电池10并穿刺测试及切断测试后实物照片

成果应用情况

目前微宏钛酸锂LpTO电池在重庆公交进行了批量的商业化运营,并取得了成功的经验。重庆正在营运的车辆包括快速充电纯电动及快速充电插电式混合动力两类车型。

其中,31台车辆为快速充电纯电动公交车型,分别于2011年4月投运6台,2012年7月投运17台,2012年8月投运8台。截至2013年3月,快速充电纯电动公交巴士在重庆公交687、689两条线路上的累计运营里程达到了71万公里,其中运营里程最长的车辆近6万公里,总体运营情况良好。

图5. 重庆渝北空港电动客车快充电站及运营车辆

10分钟左右的充电时间可以保证公交客车的正常运营,然而一般来说,大倍率的充电对电池的寿命有较大的影响,尤其是要在10分钟以内将电池充满,需要5C的充电倍率,这对电池的寿命是一个考验。实际的运营数据统计来看,即便在这样较大倍率放电的情况下,钛酸锂LpTO电池组容量的衰减为2%左右,充分体现了其快充与长使用寿命的特点。从统计数据来看,快速充电纯电动巴士的商业运营模式经过两年的实际营运验证,电池组经受住了重庆的酷暑与严冬的考验。

从2012年年初至今,共投运了超过800余台快速充电插电式混合动力公交客车车型,这些车辆分布在重庆各条主要公交干线上。这些投运的车辆获得了乘客及公交用户一致的好评。

与此同时,微宏钛酸锂LpTO电池技术,凭借其鲜明的技术特点,正获得其他城市的青睐,同时也获得了其他应用领域客户的关注,在未来必将有更为广阔的应用前景。

成果的产能建设情况

社会及经济效益

当前全球各国都在积极推动新能源汽车的技术发展与应用,而城市公共交通最为适合初期的广泛推广。微宏的动力电池正负极材料、电解液和隔膜技术3个关键技术都已获得国际专利认可。在公共交通领域,新能源汽车在重庆等地示范运行取得较好的节能减排效果。

一直以来,电动汽车的广泛应用与充电站场设施的建设存在着谁先谁后的矛盾,在电动汽车尚未大规模应用的情况下,充电站建设很难在短期内收回投资。快充充电站相对慢充电站而言,整体投资更低,通过日常的运营收入与未来向个人电动车辆的售电收入,能够快速收回成本;同时利用不断增加的电动化公交线路,在未来能够逐步形成城市充电网络,为城市的电动化未来打下良好的基础。

城市公共交通作为城市日常运行的重要组成,其电动化对城市节能减排具有深远意义。而微宏的快充技术为城市交通电动化的进程提供了一条更佳的途径。短期来看,这一技术为城市公共交通电动化提供了一条商业化可行的发展道路;而从长远综合考虑,快速充电目前已经成为国际电动车领域的一个发展方向,快充技术对于电动化未来也具有重要的战略意义。

编辑:susan