5分钟充满90%,东芝基于钛酸锂负极的SCiB锂离子电池技术

文章来源:中国汽车技术信息网 发布时间:2017-02-20
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东芝的SCiB单体电池包括了功率型电池2.9Ah、10Ah和能量型电池20Ah、23Ah。其中,2.9Ah电池在35摄氏度下,SOC 范围20-80%的条件下,10C充电/10C放电的循环寿命高达40000次以上,10Ah电池在5C充电/5C放电条件下,循环20000次以后容量保持率还在90% 以上,20Ah电池在3C的充放电电流下,循环寿命可以保持在15000以上。

2016年,格力董明珠对珠海银隆的亲睐一下子让钛酸锂电池电池成为了舆论讨论的热点。大肆的媒体报道宣传将钛酸锂电池捧上了天,不熟悉电池的人以为是一种新的电池种类,实际钛酸锂电池还是属于锂离子电池的范畴,只是负极材料使用了钛酸锂(Li4Ti5O12,Lithium titanate oxide,LTO)。这类材料的一个特点就是结构稳定性很好,可以适用于长寿命、快充等领域,另外它与锂离子电池负极中常用的石墨材料相比,电位比较高,达到1.5V (vs. Li/Li+),安全性相对较好,但是也造成了钛酸锂在全电池的电压相对偏低,只有2.3-2.5V左右。

国内生产钛酸锂材料比较早的有银隆、微宏等。其实早在10年前(2007年),东芝就有了基于钛酸锂负极的锂离子电池问世,东芝给它取了一个特别的名字:超级充电离子电池(Super Charge ion Battery, SCiB),它能在5分钟之内充满90%的能量!这里主要是通过SCiB电池的性能数据来说明钛酸锂锂离子电池的优缺点,给不了解该类电池的读者

东芝的SCiB锂离子电池具有六大特点(图1):

1. 高全性高。内部短路时产热较小

2. 低温性能好。可以在-30摄氏度使用

3. 快充能力强。最快甚至可以6分钟充电,相当于10C的充电倍率

4. 寿命长。循环寿命超过上万次

5. 功率输出高。瞬时大电流输出能力强,功率密度可与电容器相媲美

6. 有效SOC窗口宽。LTO在电压曲线十分平坦,在整个SOC范围内占据了85% 以上

图1 SCiB锂离子电池的六大特点(单体电池的数据)

东芝的SCiB单体电池包括了功率型电池2.9Ah、10Ah和能量型电池20Ah、23Ah(图2)。其中,2.9Ah电池在35摄氏度下,SOC 范围20-80%的条件下,10C充电/10C放电的循环寿命高达40000次以上(图3),10Ah电池在5C充电/5C放电条件下,循环20000次以后容量保持率还在90% 以上(图4),20Ah电池在3C的充放电电流下,循环寿命可以保持在15000以上(容量保持率>80%,图5)。

图2 SCiB单体电池

图3 SCiB 2.9Ah电池的循环寿命

图4 SCiB 10Ah电池循环寿命

图5 SCiB 20Ah电池循环寿命

其中,东芝还给出了SCiB 10Ah电池优异的 低温性能(图6):在零下20摄氏度可以用1C的电流正常充放电,并且没有明显的容量衰减。

图6 SCiB 10Ah电池低温性能

图7是2.9Ah SCiB电池的针刺、挤压和过充测试图片。

针刺的实验条件为:电池充满电,室温24摄氏度,钢针直径5mm,针刺速度10mm/s,完全刺穿电池后钢针在电池内停留30min。实验结果:电池被刺穿、不冒烟、不起火、不爆炸。挤压的实验条件为:电池充满电,室温23摄氏度,挤压头直径15.8mm,挤压速度2.3mm/s,挤压变形量50%,挤压头在电池50%变形量的地方维持30min。实验结果:电池形变50%、不冒烟、不起火、不爆炸。

过充的实验条件为:电池充满电,室温22摄氏度,充电电流3A,充电时间90min。实验结果:电池鼓胀、不冒烟、不起火、不爆炸。

图8 SCiB 2.9Ah单体电池针刺、挤压、过充安全实验

表1给出了SCiB单体电池的性能参数。采用了钛酸锂材料的锂离子电池电压只有2.4V左右,这要比采用三元材料的锂离子电池电压3.7V低了将近1.3V。但是SCiB的功率特性非常出色,其功率型电池的功率密度输出能力将近4909W/L,甚至达到了6664W/L;功率密度输入能力达到了5500W/L左右。但是SCiB电池的能量特性则比较差,无论是功率型还是能量型电池,均远低于采用三元材料的锂离子电池的能量特性。

表1 SCiB单体电池参数

Nominal capacity 2.9Ah
Nominal voltage 2.4V
Output Power (W) 420* (SOC:50%
Input Power (W) 480* (SOC:50%
Dimensions (mm) W63 × D14 ×
Weight (g) Approx. 150
Energy density (Wh/L) 81.4
Specific energy (Wh/kg) 46.4
Output power density (W/L) 4909.2
Output specific power (W/kg) 2800
Input power density (W/L) 5610.5
Input specific power (W/kg) 3200
  Energy Cell能
Nominal capacity 20Ah
Nominal voltage 2.4V
Dimensions (mm) W116 × D22 
Weight (g) Approx. 515
Energy density (Wh/L) 176
Specific energy (Wh/kg) 93.2

 

从上面的数据可以看到,采用了钛酸锂负极的锂离子电池其优点和缺点都十分明显:功率特性、循环寿命、快充性能、安全性都十分突出;但是其能量特性显然是其不可回避的短板。基于钛酸锂负极的锂离子电池,既不会像有些媒体那样大肆宣传的无所不能、也不会一点用武之地也没有。切入特定的细分领域、充分发挥其特点、规避其缺点、扬长避短是采用钛酸锂材料的锂离子电池的发展之路。

 

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