低温区域锂电池解决方案之“钛酸锂”

11月下旬到12月初，冷空气将开启“无限连击”模式接连影响我国。很多地方冷得更像12月甚至1月，最低气温-10℃线向南推进到陕西北部、山西中部、河北北部一线，包括太原、呼和浩特、哈尔滨、长春在内的很多地方最低气温都将跌至-10℃或以下。其中，呼和浩特将是入冬后首次跌破零下15℃，银川将是入冬后首次跌破零下10℃，东北或再遭强降雪东北将再遭强降雪，黑龙江或有大暴雪甚至特大暴雪。

骤降的低温天气势必给换电业务带来巨大挑战，毕竟去年大家经历了寒潮下电池不能充电和放电的情况，今年也有了一定的“防患于未然”的策略。

一、磷酸铁锂电池的应对策略

磷酸铁锂换电电池在低温环境下充放电存在安全风险，当电芯温度低于0℃时换电电池处于充电低温保护状态，电芯温度低于-10℃时换电电池处于放电低温保护状态。

随着寒潮的来临，电池需通过预热后才能进行充电，具体表现为电池进柜后预热时间长、充电完成时间延长，从而导致换电高峰期骑手无满电电池可换。为解决极端天气对换电业务的影响，可采用如下措施：

（一）磷酸铁锂电池

电池充电温度恢复措施。充分利用室内换电柜资源，电池尽量调配至室内充电；利用室内资源，将存在低温保护的电池集中临时调配至室内环境存放，待温度恢复到5℃后再统一配送至换电网点进行充电。

（二）换电柜

1. 换电柜舱体加热措施。对于具备加热功能的换电柜，提前检测舱体加热功能，确保工作正常。现磷酸铁锂电池充电保护温度为0℃，恢复充电温度为5℃。

2. 换电柜应急保温措施。对于室外换电柜采用保温材料封堵进、排风口或采用柜体整体保温方式，进行柜体保温应急处理。

但要注意，上述是在充电时电池温度可调整至0度以上，放电时电池温度不低于-10℃来应对的。对于温度始终低于-10℃甚至低于-20℃的环境，磷酸铁锂电池就无能为力了。

这时，钛酸锂电池就派上用场了。

二、钛酸锂电池的主要原理

钛酸锂电池属于锂离子电池的一种，主要由正负极材料、隔膜、电解液和壳体组成。其中正极材料为钴酸锂/三元材料/锰酸锂中的一种或几种；负极材料为钛酸锂（Li2Ti5O12）；电解液主要由溶剂（DEC/EC/PC）和锂盐（LiPF6）组成；隔膜由PE材质薄膜表面涂覆Al2O3陶瓷粉组成；壳体主要由铝材质或铝塑膜材质构成。

与常规锂离子电池以人造石墨作为负极不同，钛酸锂电池以钛酸锂（Li2Ti5O12）作为电池负极，锂离子作为电荷载体，当充电时，锂离子从正极锂氧化物中脱嵌出来，通过电解液迁移到钛酸锂负极材料表面，并通过负极材料离子嵌入通道进入负极材料中形成锂氧化物，完成充电过程的锂离子迁移；放电时，锂离子进行相反方向的迁移，完成电荷的转移。

由于钛酸锂材料特殊的尖晶石分子结构和三维扩散通道，使钛酸锂材料具有低应变特性以及锂离子在钛酸锂晶体中快速扩散性能，因此钛酸锂电池相较于传统的以石墨作为负极的锂离子电池在安全性、低温、倍率放电、循环寿命等方面具有优异的性能。

钛酸锂电池是一种用作锂离子电池负极材料-钛酸锂，正极采用锰酸锂、三元材料等组成的锂离子二次电池。由于钛酸锂的高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，钛酸锂材料作为新一代锂离子电池的负极材料而被广泛应用在新能源汽车、电动摩托车和要求高安全性、高稳定性和长周期的应用领域。

2017年10月，搭载钛酸锂电池的北京市1路公交车正式在长安街运营，成为一道靓丽的风景线。

三、钛酸锂电池的技术特点及优势

（一）具有高安全特性，各滥用条件下不起火爆炸

钛酸锂电池因为其原理、结构及材料决定，钛酸锂的电位比纯金属锂的电位高，充电电位平台1.55V，即使在充电后期、低温或高倍率充电的情况下，此负极的电位也不会达到锂离子还原成金属锂的电位，不会产生析锂引发的安全事故。而其他锂电池嵌锂的电位约为0.1V，在低温、高倍率充电时易在负极表面析出锂金属，一定程度便会刺破隔膜，造成电池内部短路，产生爆炸等严重危害人身安全；另外，钛酸锂（LTO）发生短路故障时欧姆阻抗急剧增加，抑制放电反应，不会引起过大的瞬间电流和温度上升；钛酸锂（LTO）本身均不可燃，上述两点保证了钛酸锂电池的超高安全性。

另外，钛酸锂三维尖晶石结构的最大特点是充放电体积变化非常小（称之“零应变”），脱嵌锂离子的过程中晶型不发生变化，这种“零应变”新材料的性能，提高了电池的循环使用寿命和安全性能，具有优越的高倍率充放电特性（最高可达50C）和适应超高低温环境（-50～60℃范围可正常工作）的特点。

（二）具有优异的低温工作性能，-40℃环境下仍能充放电

钛酸锂材料对锂电位为1.55V，此负极的电位在低温或高倍率充电的情况下，也不会达到锂离子还原成金属锂的电位，当电池在低温条件下进行充电时，锂离子不易在钛酸锂负极材料表面形成析锂；同时钛酸锂（Li2Ti5O12）材料具有三维离子通道结构，因此该材料的离子导电率更高，相较其它类型锂离子电池高出1个数量级，当电池在超低温环境时，离子仍能通过三维离子通道嵌入钛酸锂（Li2Ti5O12）中形成化合物，因此具有很好的耐低温充电性能。三元和磷酸铁锂锂离子电池在低温-40℃时放电性能急剧降低，而在0℃以下就不能进行充电，我公司生产的钛酸锂电池在低温-40℃时，充放电效率达到80%以上，在-20℃时，充放电效率达到90%以上。

钛酸锂电池低温充电性能曲线如下：

钛酸锂电池低温充电性能参数如下：

钛酸锂电池低温放电性能曲线如下：

钛酸锂电池低温放电性能参数如下：

钛酸锂、磷酸铁锂、三元电池低温性能参数对比如下：

（三）具有超高的使用循环寿命，可达万次以上

钛酸锂材料具有特殊的尖晶石分子结构，在充电态和放电态晶格变化非常小，被称为“零应变”材料，因此不会因为反复充放电导致材料本身结构的坍塌，使得以钛酸锂材料为负极的电池具有非常高的循环性能。配合合适的正极材料，钛酸锂的电池的循环寿命可以达到20000次以上，远超铁锂和三元系锂电池1500至2000次的循环寿命。

（四）具有良好的高倍率充放电性能

钛酸锂（Li2Ti5O12）材料具有尖晶石结构，同时具备三维离子通道，当电池进行充电时，锂离子通过三维离子通道嵌入钛酸锂（Li2Ti5O12）中形成化合物，因此该材料的离子导电率更高，相较人造石墨高出1个数量级。这样造成钛酸锂材料作为负极的钛酸锂电池具有非常优异的倍率充放电性能，高倍率放电循环过程中仍能保证其安全性，特别适合高功率放电应用场合。

常规能量型钛酸锂倍率可达10C，充放电其充放电倍率性能曲线如下：

钛酸锂池倍率性能指标参数如下：

四、钛酸锂电池在汽车和通信基站的应用

（一）三种类型电池的性能对比

钛酸锂电池与磷酸铁锂、三元锂电池的主要指标对比如下：

（二）电动汽车和轨道交通

除了北京外，钛酸锂电池系列产品已在哈尔滨、延吉、锦州、呼和浩特、包头等多个寒冷城市投入运营，以其耐宽温、高安全等特性助力城市公交的发展：

1.哈尔滨

2017年1月1日，88辆10.5米银隆钛酸锂纯电动车正式在哈尔滨83路和203路投入运营，经受住了冬天的考验，一切正常。

“哈尔滨温差大，夏天时会达到30℃以上，冬天时会降低至零下30℃，但是银隆车经受住了考验，3个冬天没有出现任何问题”哈尔滨福通公交客运有限公司公交司机站长肖队如是说。

2.延吉

吉林省延吉市地处中俄、中朝的交界处，年平均气温仅为摄氏5.5度，冬季漫长寒冷，结冰期长达164天，最低气温低至零下30度左右，是冬季最低气温可以达到零下30度的一个最具代表性的北方城市。在这样的气候条件下，一些纯电动公交的问题，特别是电池的问题就暴露出来了。最典型的就是低温下充不进去电，因为有些车辆的电池在低温气候下，比如在零下3度以下就启动自我保护了，根本充不进去电，车辆也根本无法启动 。

2017年10月，延吉市新采购一批银隆钛酸锂电池纯电动公交，分别运营于延吉市2、3、4、36、37、45路公交线，零下30度依然正常运营。

（三）通信基站

钛酸锂电池的低温特性非常适合高海拔、极低温地区的应用，尤其是在一些高海拔、无市电接入、多阴雨天气的偏远地区。目前，钛酸锂电池已在内蒙、甘肃、新疆、西藏、青海、四川等地区的通信基站投入使用，为上述区域的通讯信号稳定提供了强有力的保障。

钛酸锂在极寒的黑龙江漠河通信基站的使用如下图所示：

下图是钛酸锂在高海拔的珠穆拉玛峰大本营通信基站的使用：

五、钛酸锂电池在两三轮车上的应用

（一）温度带决定了电池选择

目前，市场上主流的换电电池包括：磷酸铁锂、钛酸锂、锰系电池三类。磷酸铁锂电池安全性高、循环寿命长、价格相对低廉，目前是低速车换电电池的主流；钛酸锂电池则是为低温而生，适合于东北三省、内蒙古、西北各省及京津冀的部分低温区域。

2020年底席卷中国北方大部分地区的极寒天气给两轮换电市场带来了极大的挑战。根据磷酸铁锂电池的性能要求，铁锂电池设置0℃以下不能充电，-10℃不允许放电。黄河以北地区地处严寒地带，磷酸铁锂换电电池在极寒天气中低温充电慢、续航里程严重缩水等性能短板逐渐暴露，无法满足外卖、快递外卖小哥的市场需求，电池已经过冬季的超低温使用，造成电池组已不可逆的一致性变差。

而基于钛酸锂电池超高安全性、超长的循环寿命（10000次），超宽的高低温性能（-40℃-55℃），超大倍率充放电，可更好的解决两轮换电市场对电池产品耐久性、超低温充放电、快速充电的行业痛点，钛酸锂电池在两轮换电领域应用优势明显。

1.安全性高

不起火、不爆炸，有效保障换电产品的质量及性能；

2.循环寿命长（10000次）

产品使用寿命长，不用频繁更换产品，节省设备及人工等投入。

3.高低温性能较宽（-40℃-55℃）

钛酸锂电池55℃高温放电容量可达标称容量100%、低温-20℃放电容量不低于标称容量90%，低温-40℃放电容量不低于标称容量80%；即使是高寒/高温地区也能正常使用.

4.超大倍率充放电（可达10C）

支持快速充电、放电，节省时间，为资源的有效利用提供了便捷；

在此背景下，钛酸锂电池换电产品优势逐渐凸显出来。 

（二）铁塔换电的试点

1.试点情况

2019年11月，深圳博磊达公司与黑龙江铁塔合作，在黑龙江率先开展“试验田”，通过长达半年的路况运行，赢得骑手、邮政、顺丰等终端使用者的一致好评。

2020年8月，黑龙江铁塔公司牵头组织进行高寒区域的换电钛酸锂产品招标，深圳博磊达和北京聚能鼎力开始批量供货黑龙江、吉林、辽宁、内蒙、宁夏、新疆等省份。

下图为钛酸锂电池在两轮和三轮车上的应用：

2.市场反馈

从陆续投放市场的钛酸锂电池应用情况来看，市场反馈良好。在内蒙古地区，在-9℃-20℃低温条件下，经骑手实际路跑测试，60V30Ah钛酸锂电池续航里程可达到50Km以上，能够满足大部分车型的高峰期使用，并且，钛酸锂换电产品电量提醒显示精准，夜间室外存放不影响第二天正常使用，续航里程不会下降。

3.低温对比

钛酸锂电池与磷酸铁锂电池低温使用情况下对比来看，钛酸锂充电时间短，磷酸铁锂无法充电；钛酸锂续航时间长、稳定，磷酸铁锂续航短，低电量时会突然断电。通过哈尔滨、黑河的路跑测试，60V30Ah钛酸锂电池组平均可跑44.37公里，1kWh电量平均可路跑里程为24.1公里。通过路跑数据和铁塔平台调取的数据比较，钛酸锂电池组较同容量磷酸铁锂锂电池续航能力提升约30.1%。

（三）需解决和关注的5个问题

1．科学确定钛酸锂的适用区域

常规来看，钛酸锂电池的适用区域主要在黄河以北区域，尤其是东北三省、内蒙、甘肃、宁夏、新疆、青海、西藏等地；其他如北京北部的延庆、密云、怀柔，河北的承德，山西的大同，陕西的榆林等地可能也是钛酸锂电池的适用区域。尤其是近几年来随着气候变化异常加剧，比如去年冬天的低温使得湖北、江苏等地都数日低于零下10度。

所以，钛酸锂的适用区域要科学评估，物尽其用。

2．钛酸锂的价格问题

由于之前钛酸锂的应用范围较小，主要集中在北方的公交车以及东北、西北的通信基站等，其生产和运用规模相对较小，未来应通过生产规模和应用范围的扩大，逐步降低其价格，进一步提升其性价比。

3．钛酸锂的充放电倍率、宽温性能和循环寿命

钛酸锂具有高达10倍的充放电倍率、-40℃-55℃的高低温适用性能和高达万次的循环寿命，而这恰恰是目前磷酸铁锂电池的短板和痛点，同时也意味着钛酸锂电池更皮实，更耐造，更适应换电业务比较恶劣的运行环境。

4．钛酸锂的密度和体积

钛酸锂的能量密度小于磷酸铁锂，更小于三元锂，未来应通过进一步提升其能量密度和缩小其体积，来提升钛酸锂的匹配性和适用性。

5．钛酸锂的安全性

随着钛酸锂价格的下降、能量密度的提升、体积的缩小，其适用范围将迅速扩大，加之其固有的安全性，相信钛酸锂的性价比和适用范围将进一步提升。

原文始发于微信公众号（遇见新能源）：低温区域锂电池解决方案之“钛酸锂”