基于鈦酸鋰負極的SCiB鋰離子電池技術

2016年，格力董明珠對珠海銀隆的親睞一下子讓鈦酸鋰電池電池成為了輿論討論的熱點。大肆的媒體報道宣傳將鈦酸鋰電池捧上了天，不熟悉電池的人以為是一種新的電池種類，實際鈦酸鋰電池還是屬于鋰離子電池的范疇，只是負極材料使用了鈦酸鋰(Li4Ti5O12，Lithium titanate oxide，LTO)。這類材料的一個特點就是結構穩(wěn)定性很好，可以適用于長壽命、快充等領域，另外它與鋰離子電池負極中常用的石墨材料相比，電位比較高，達到1.5V (vs. Li/Li+)，安全性相對較好，但是也造成了鈦酸鋰在全電池的電壓相對偏低，只有2.3-2.5V左右。

國內生產鈦酸鋰材料比較早的有銀隆、微宏等。其實早在10年前(2007年)，東芝就有了基于鈦酸鋰負極的鋰離子電池問世，東芝給它取了一個特別的名字：超級充電離子電池(Super Charge ion Battery， SCiB)，它能在5分鐘之內充滿90%的能量!這里主要是通過SCiB電池的性能數據來說明鈦酸鋰鋰離子電池的優(yōu)缺點，給不了解該類電池的讀者。

東芝的SCiB鋰離子電池具有六大特點(圖1)：

1. 高全性高。內部短路時產熱較小

2. 低溫性能好。可以在-30攝氏度使用

3. 快充能力強。最快甚至可以6分鐘充電，相當于10C的充電倍率

4. 壽命長。循環(huán)壽命超過上萬次

5. 功率輸出高。瞬時大電流輸出能力強，功率密度可與電容器相媲美

6. 有效SOC窗口寬。LTO在電壓曲線十分平坦，在整個SOC范圍內占據了85%以上

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圖1 SCiB鋰離子電池的六大特點(單體電池的數據)

東芝的SCiB單體電池包括了功率型電池2.9Ah、10Ah和能量型電池20Ah、23Ah(圖2)。其中，2.9Ah電池在35攝氏度下，SOC 范圍20-80%的條件下，10C充電/10C放電的循環(huán)壽命高達40000次以上(圖3)，10Ah電池在5C充電/5C放電條件下，循環(huán)20000次以后容量保持率還在90% 以上(圖4)，20Ah電池在3C的充放電電流下，循環(huán)壽命可以保持在15000以上(容量保持率>80%，圖5)。

圖2 SCiB單體電池

圖3 SCiB 2.9Ah電池的循環(huán)壽命

圖4 SCiB 10Ah電池循環(huán)壽命

圖5 SCiB 20Ah電池循環(huán)壽命

其中，東芝還給出了SCiB 10Ah電池優(yōu)異的 低溫性能(圖6)：在零下20攝氏度可以用1C的電流正常充放電，并且沒有明顯的容量衰減。

圖6 SCiB 10Ah電池低溫性能

圖7是2.9Ah SCiB電池的針刺、擠壓和過充測試

針刺的實驗條件為：電池充滿電，室溫24攝氏度，鋼針直徑5mm，針刺速度10mm/s，完全刺穿電池后鋼針在電池內停留30min。實驗結果：電池被刺穿、不冒煙、不起火、不爆炸。

擠壓的實驗條件為：電池充滿電，室溫23攝氏度，擠壓頭直徑15.8mm，擠壓速度2.3mm/s，擠壓變形量50%，擠壓頭在電池50%變形量的地方維持30min。實驗結果：電池形變50%、不冒煙、不起火、不爆炸。

過充的實驗條件為：電池充滿電，室溫22攝氏度，充電電流3A，充電時間90min。實驗結果：電池鼓脹、不冒煙、不起火、不爆炸。

圖7 SCiB 2.9Ah單體電池針刺、擠壓、過充安全實驗

表1給出了SCiB單體電池的性能參數。采用了鈦酸鋰材料的鋰離子電池電壓只有2.4V左右，這要比采用三元材料的鋰離子電池電壓3.7V低了將近 1.3V。但是SCiB的功率特性非常出色，其功率型電池的功率密度輸出能力將近4909W/L，甚至達到了6664W/L;功率密度輸入能力達到了 5500W/L左右。但是SCiB電池的能量特性則比較差，無論是功率型還是能量型電池，均遠低于采用三元材料的鋰離子電池的能量特性。

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從上面的數據可以看到，采用了鈦酸鋰負極的鋰離子電池其優(yōu)點和缺點都十分明顯：功率特性、循環(huán)壽命、快充性能、安全性都十分突出;但是其能量特性顯然是其不可回避的短板?；阝佀徜囏摌O的鋰離子電池，既不會像有些媒體那樣大肆宣傳的無所不能、也不會一點用武之地也沒有。切入特定的細分領域、充分發(fā)揮其特點、規(guī)避其缺點、揚長避短是采用鈦酸鋰材料的鋰離子電池的發(fā)展之路。