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(tài)的鋰，支持反復充放電使用。
從1991年SONY公司推出第一只商用鋰離子電池,到2009年華為在通信基站大規(guī)模使用鋰電,再到2016年電動車(鋰電)市場爆發(fā),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(xù)提升、成本的持續(xù)降低,鋰電池在通信領域、電力領域、動力汽車領域、數(shù)據(jù)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(wěn)步邁進。
為什么要用鋰電池(見圖1)
鉛酸電池在通信行業(yè)領域數(shù)十年來長期占主導地位。但鉛酸電池循環(huán)壽命短、占地大、對機房承重要求高,生產(chǎn)制程容易造成環(huán)境污染,各國的鉛酸電池發(fā)展都趨于萎縮,中國鐵塔已經(jīng)明確不再招標鉛酸電池。而鋰電池具有能量密度高、占地小、長循環(huán)壽命等鉛酸不具備的優(yōu)勢。伴隨著鉛酸電池市場占有率快速下降,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(shù)據(jù)中心的鋰電池應用在國外一些大型的ISP客戶也在開始規(guī)模使用?？梢灶A測未來3～5年的時間內(nèi),鋰電池市場份額將接近或超過鉛酸電池,鋰電池未來占據(jù)市場主導已經(jīng)是各行業(yè)領域的共識。
電池技術(shù)路線趨勢（見圖2）
1、3C類:鈷酸鋰提升充電電壓上限,持續(xù)提升能量密度;預計2025年后,全固態(tài)電解質(zhì)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(tài))提升Ni含量+充電電壓提升能量密度,Ni含量(811)和電壓(4.25V)后能量密度提升不明顯;預計2025年后全固態(tài)電解質(zhì)商用，電壓可以進一步提升；中低端EV+大巴，轉(zhuǎn)向磷酸鐵鋰路線;
3、循環(huán)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(huán)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(chǎn)業(yè)鏈;
4、短時備電:磷酸鐵鋰，安全、壽命、性價比最優(yōu)，向功率密度提升、安全等特性演進；未來預計為電池+電容等復合路線。
鋰電池的基本參數(shù)和工作原理
1、鋰電池基本參數(shù)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(zhì)的電池。
正極材料:可選的正極材料很多,主流產(chǎn)品為磷酸鐵鋰和三元(鎳鈷錳或鎳鈷鋁)。
負極材料:多采用石墨。
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。
負極反應:放電時鋰離子脫嵌,充電時鋰離子嵌入。
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(shù)據(jù)中心推薦采用什么材質(zhì)鋰電池?
1、推薦選用磷酸鐵鋰材質(zhì)“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(fā)展上所做的貢獻。
尤其John Goodenough成為歷史上最高齡的諾獎得主,其一生對于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(huán)保的鋰離子電池正極材料。鋰電池,尤其是磷酸鐵鋰在數(shù)據(jù)中心和通訊基站的應用,就如同老爺子的名字一樣,已經(jīng)Goodenough了。
2、為什么推薦采用磷酸鐵鋰材質(zhì)?
目前業(yè)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(yè);錳酸鋰主要應用于電動自行車行業(yè);磷酸鐵鋰廣泛應用于大巴車/公交車儲能,儲能電站;三元鋰廣泛應用于家用車/出租車儲能,儲能電站行業(yè)。數(shù)據(jù)中心場合目前普遍采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(yōu)勢。
1、磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定
從分子結(jié)構(gòu)來看,磷酸鐵鋰分子結(jié)構(gòu)為橄欖狀三維結(jié)構(gòu),而鈷酸鋰、三元鋰分子結(jié)構(gòu)都是層狀二維結(jié)構(gòu),2D層狀結(jié)構(gòu)易坍塌,相對而言,磷酸鐵鋰分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定(見圖3)。
2、磷酸鐵鋰熱穩(wěn)定性高、產(chǎn)熱速率慢,產(chǎn)熱少(見圖4)
·磷酸鐵鋰高溫穩(wěn)定,高溫下產(chǎn)熱峰值不明顯,峰值產(chǎn)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(chǎn)熱功速率約80W/min,容易觸發(fā)爆炸式燃燒(秒級),系統(tǒng)難以反應控制;
·總產(chǎn)熱量方面,磷酸鐵鋰顯著低于三元、錳酸鋰等材料(產(chǎn)熱功率曲線與橫軸的面積代表總產(chǎn)熱量)。
3、磷酸鐵鋰熱失控反應不產(chǎn)生助燃劑
磷酸鐵鋰在熱失控后不會產(chǎn)生氧氣,而錳酸鋰、鈷酸鋰、三元鋰在熱失控后都會產(chǎn)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于磷酸鐵鋰(見圖5)。
數(shù)據(jù)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(yè)儲能、終端設備等行業(yè)的大量使用,以及整個行業(yè)生態(tài)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(yōu)勢會愈發(fā)明顯,鋰電池必將在數(shù)據(jù)中心大規(guī)模應用。但是,就目前來看,因為行業(yè)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盡管應用廣泛,但是無論是電動汽車還是手機都出現(xiàn)過熱失控、起火等事故。在數(shù)據(jù)中心,則對可靠性要求更高,一旦發(fā)生火災,整個數(shù)據(jù)中心業(yè)務可能都會受到嚴重損失(見圖7)。
數(shù)據(jù)中心鋰電應用安全保證
1、鋰電安全性根因
電池內(nèi)部在過溫和過壓情況下出現(xiàn)許多放熱副反應,繼而形成熱量正反饋,從而出現(xiàn)熱失控,產(chǎn)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(fā)熱的情形,從而引發(fā)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(nèi)部短路、析鋰、高溫、體積變化等原因致起火爆炸發(fā)生。使我們也認識到,電芯選擇磷酸鐵鋰并不能萬無一失。所以,在鋰電池的設計應用中應該從電芯+PACK+BMS+系統(tǒng)+云計算/
大數(shù)據(jù)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(yōu)選磷酸鐵鋰,熱失控溫度點高,產(chǎn)熱速率慢、產(chǎn)熱總量少,從根本上保障安全性的幾率極高;
2、電芯結(jié)構(gòu)安全設計:在機械結(jié)構(gòu)和涂層層面優(yōu)化設計,可抑制熱失控的發(fā)生。
·機械結(jié)構(gòu):外短路及過充電濫用,通過fuse,OSD等機械結(jié)構(gòu)及時切斷,抑制溫度上升,阻止連鎖反應至熱失控;
·功能涂層(化學保護):發(fā)生內(nèi)短路,機械結(jié)構(gòu)不起作用,功能涂層抑制隔離膜收縮,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(fā)。比如:
·激光焊規(guī)避螺釘松脫風險;
·多溫度傳感器確保模塊內(nèi)溫、電壓等實時監(jiān)控;
·夾緊力保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu)強度;
·電芯表面絕緣膜包覆,保證電芯與外部絕緣力。
4、BMS安全設計:三級BMS架構(gòu),常規(guī)V、I、T采樣檢測、均衡、閾值告警保護+內(nèi)短路算法+內(nèi)溫估計算法+析鋰估計算法,確保電芯不出現(xiàn)熱失控。
5、系統(tǒng)安全設計:
·智能電池控制系統(tǒng),做到單組電壓、電流、功率可控,避免出現(xiàn)偏流、環(huán)流情況;
·機柜級消防系統(tǒng)，做到熱失控快速抑制，精準、高效、環(huán)保。
6、AI智能安全保證:關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳至云端,實時監(jiān)控電池狀態(tài),通過橫向縱向?qū)Ρ?數(shù)據(jù)庫+安全算法分析,提前進行月/天級安全預警。
數(shù)據(jù)中心鋰電池應用的挑戰(zhàn)
數(shù)據(jù)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(guān)鍵考量。
挑戰(zhàn)1:多柜并聯(lián)的均流問題
多柜并聯(lián)放電,因電芯內(nèi)阻、容量等不一致、配電的差異等導致的柜間放電不均流,尤其是在短時大電流放電時,造成電池柜逐個過流保護。
挑戰(zhàn)2:新舊電池柜在線擴容問題鋰電池系統(tǒng)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，就會有新舊電池柜并聯(lián)使用的場景。新舊電池柜混用因內(nèi)阻、容量的不一致，會導致嚴重偏流，甚至導致單電池柜過流斷開。
挑戰(zhàn)3:電芯串聯(lián)均壓問題
單組電池內(nèi)電芯內(nèi)阻容量等不一致，導致單電芯充電過壓，使得整個電池系統(tǒng)無法充滿電。
挑戰(zhàn)4:故障維護問題
單組電池組內(nèi)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(zhàn)5:消防問題
當鋰電池入列微模塊數(shù)據(jù)機房,假如鋰電池柜內(nèi)發(fā)生火災,如何將火災控制在機柜內(nèi)部,不擴散到周邊ICT設備?
終上所述,鋰電池相對于鉛酸有者低承重要求、占地小、能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢。所以,未來隨著鋰電池成本的進一步降低,鋰電池在數(shù)據(jù)中心必將大量應用。在安全保障方面,優(yōu)先推薦采用磷酸鐵鋰高穩(wěn)定電芯,其次要從pack、BMS、系統(tǒng)等層面多維度來保障鋰電池的安全應用。然而,事實勝于雄辯,鋰電的可靠性及實際應用需要經(jīng)得起測試考驗,鋰電在數(shù)據(jù)中心的大量應用更需要經(jīng)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于針刺測試。研究發(fā)現(xiàn),鋰電池的熱失控大多是由于內(nèi)部發(fā)生短路產(chǎn)生。正常使用時發(fā)生內(nèi)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(nèi)部可能會析出鋰枝晶，從而刺穿隔膜,發(fā)生內(nèi)部短路。針刺測試就是模擬內(nèi)部短路來驗證鋰電池是否會發(fā)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，那么鋰電池新舊電池組混并又會如何？多組電池組并聯(lián)時，因為鋰電池產(chǎn)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(yè)采用公開測試的方式邀您共同驗證，敬請期待。
作者簡介
王波:華為技術(shù)有限公司供配電領域市場總監(jiān)。負責UPS、配電、鋰電等產(chǎn)品的上市工作,在華為工作已5年。
