Estado actual de la tecnología de baterías de titanato de litio
El titanato de litio tiene canales de difusión de iones de litio tridimensionales exclusivos de la estructura de espinela y tiene las ventajas de excelentes características de potencia y buen rendimiento a altas y bajas temperaturas. En comparación con los materiales de ánodo de carbono, el potencial del titanato de litio es alto (1.55 V más alto que el del litio metálico), lo que lleva al hecho de que la capa sólido-líquido que generalmente crece en la superficie del electrolito y el ánodo de carbono básicamente no se forma. en la superficie del titanato de litio. .
Más importante aún, es difícil que se formen dendritas de litio en la superficie del titanato de litio dentro del rango de voltaje que usan las baterías normales. Esto elimina en gran medida la posibilidad de que las dendritas de litio formen cortocircuitos dentro de la celda. Por lo tanto, la seguridad de las baterías de iones de litio con titanato de litio como electrodo negativo es la más alta entre los diversos tipos de baterías de iones de litio que ha visto el autor.
La mayoría de las personas en la industria han escuchado que la vida útil del ciclo de la batería de litio al reemplazar el grafito con titanato de litio como material del electrodo negativo de la batería de litio puede alcanzar decenas de miles de veces, que es mucho más alto que la batería de iones de litio tradicional común, y lo hará morir después de unos pocos miles de ciclos.
Porque la mayoría de los profesionales de las baterías de litio nunca han fabricado productos de baterías de titanato de litio, o solo lo han hecho unas pocas veces y han encontrado dificultades. Así que no pudieron calmarse y pensarlo con cuidado. ¿Por qué la mayoría de las baterías tradicionales de iones de litio que están perfectamente fabricadas normalmente solo pueden completar entre 1000 y 2000 ciclos de carga y descarga?
¿La causa raíz del ciclo de vida corto de las baterías de iones de litio tradicionales se debe a uno de los componentes básicos: el electrodo negativo de grafito está sobrecargado? Una vez que el electrodo negativo de grafito se reemplaza con un electrodo negativo de titanato de litio de tipo espinela, básicamente el mismo sistema químico de batería de iones de litio puede ciclarse decenas de miles o incluso cientos de miles de veces.
La batería de titanato de litio tiene un ciclo de vida prolongado, seguridad extraordinaria, excelentes características de potencia y buena economía. Estas características serán una piedra angular importante para el logro de la industria de almacenamiento de energía de baterías de litio a gran escala que está surgiendo actualmente.
En los últimos 10 años, ha aumentado la investigación sobre la tecnología de baterías de titanato de litio en el país y en el extranjero. Su cadena industrial se puede dividir en preparación de materiales de titanato de litio, producción de baterías de titanato de litio e integración del sistema de baterías de titanato de litio y su aplicación en el mercado de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía.
material de titanato de litio
Los líderes internacionales en la investigación e industrialización de materiales de titanato de litio incluyen Aoti Nanotechnology Company de los Estados Unidos, Ishihara Sangyo Co., Ltd. de Japón y Johnson Matthey del Reino Unido. Entre ellos, el material de titanato de litio producido por Austrian Titanium tiene un excelente rendimiento en términos de aumento, seguridad, larga vida y alta y baja temperatura. Sin embargo, debido a que el método de producción es demasiado largo y delicado, el costo de producción es alto, lo que dificulta su comercialización.
Ishihara Sangyo es uno de los mayores fabricantes de dióxido de titanio de Asia. La empresa tiene bases de producción en Japón, Singapur y Taiwán. Ishihara Industry aprovechó al máximo sus abundantes recursos de materia prima y desarrolló con éxito una variedad de productos de titanato de litio de bajo costo, alta velocidad y diferentes tamaños de partículas mediante proceso húmedo.
Hay muchas producciones nacionales en masa de materiales de titanato de litio, como Sichuan Xingneng New Materials Co., Ltd., Zhuhai Yinlong New Energy Co., Ltd., Huzhou Weihong Power Co., Ltd., Shenzhen Betterray New Energy Materials Co., Ltd., Hunan Shanshan New Materials Co., Ltd. y una serie de pequeños fabricantes de titanato de litio en Anhui y Shenzhen.
Sichuan Xingneng es un fabricante profesional de materiales de titanato de litio con una capacidad de producción anual de 3000t. El proceso de producción de titanato de litio tiene adaptabilidad y estabilidad para el cliente, y se puede ajustar de manera flexible sin cambiar las líneas de producción y los equipos existentes para producir productos adecuados. Titanato de litio requerido por diferentes clientes y mantener la estabilidad de los indicadores técnicos del producto. Basándose en los recursos de mineral de litio y titanio aguas arriba, Xingneng puede realizar la coproducción desde el mineral en bruto hasta los materiales finales, lo que puede mejorar el rendimiento de los productos de titanato de litio y reducir el costo, y evitar el impacto de las fluctuaciones en el mercado de materias primas. .
En 2011, Zhuhai Yinlong completó la adquisición del 53.6% del capital social de Ao Ti Nano Technology Co., Ltd. en los Estados Unidos, convirtiéndose así en una de las pocas empresas en China que también posee preparación de materiales de titanato de litio, producción de baterías, litio vehículos eléctricos de titanato, sistemas de almacenamiento de energía, modulación de frecuencia Una empresa con una serie de tecnologías centrales y más de 30 patentes para aplicaciones tales como reducción de picos.
En la actualidad, Beibei Aotai Nanotechnology Co., Ltd. (abreviado como "Beijing Aotai") tiene una capacidad de producción anual de 100 t de materiales de titanato de litio y proporciona titanato de litio a nanoescala de alta calidad para Beibei Aotai y Zhuhai Yinlong. Zhuhai Yinlong New Energy también ha llevado a cabo una cooperación estratégica con Ishihara Industry en la investigación y desarrollo de nuevos materiales de titanato de litio. El costo del material disminuirá con el aumento de su producción y se espera que esté cerca del precio de costo actual de los materiales de ánodo de grafito en los próximos años.
Huzhou Weihong es actualmente una de las empresas más exitosas en la promoción de la tecnología de baterías de titanato de litio y otras baterías de carga rápida en la industria nacional.
El material de titanato de litio producido por Huzhou Weihong se utiliza principalmente para sus propios productos de baterías de titanato de litio. La expansión continua de los productos de baterías de titanato de litio de Huzhou Weihong en los mercados nacionales y extranjeros también ha desempeñado un buen papel de demostración en la aplicación de la tecnología de titanato de litio en vehículos eléctricos y mercados de almacenamiento de energía.
Baterías de titanato de litio y sus aplicaciones en vehículos eléctricos y almacenamiento de energía
No hay muchos fabricantes que puedan producir en masa baterías de titanato de litio en el mundo, principalmente representados por Austrian Titanium de los Estados Unidos y Toshiba Group de Japón. Los mercados de aplicación de las baterías de titanato de litio incluyen principalmente vehículos eléctricos, mercados de almacenamiento de energía y aplicaciones industriales.
American Austrian Titanium tiene su tecnología central única en la fabricación de baterías de titanato de litio. Todavía ocupa una posición de liderazgo en la fabricación de baterías de titanato de litio a gran escala en el mundo y ha resuelto el llamado problema de "flatulencia". En la actualidad, su batería de titanato de litio de celda única de 65 Ah de cuarta generación se ha utilizado en sistemas de almacenamiento de energía, y no hay una disminución evidente de la capacidad incluso después de decenas de miles de ciclos a 65 °C.
En la aplicación del sistema de batería de titanato de litio, el autobús eléctrico híbrido proporcionado por Austrian Titanium para California se ha puesto en funcionamiento desde 2008. Su índice de economía de combustible es de 106.4 kg/L, que es mucho más alto que los 23.8 kg/L del diésel común. generadores La empresa proporcionó un sistema de almacenamiento de 1MW para el parque eólico de 10.5MW del Instituto de Energía Natural de Hawái y se conectó a la red local y brindó servicios de soporte técnico por un período de 3 años. Este sistema de almacenamiento de energía de batería de titanato de litio se utiliza principalmente para regular la fluctuación de voltaje de la energía renovable y controlar la tasa de cambio de carga de la unidad dentro de 1MW/min.
La unidad de almacenamiento de energía de alta potencia y gran capacidad de 1MW de Austrian Titanium es actualmente el único producto de batería de titanato de litio de gran capacidad en la red eléctrica de EE. UU. que ha pasado la inspección de calidad de rendimiento y operación comercial de campo durante más de dos años. El número de ciclos del sistema de almacenamiento de energía supera las 500,000 3,300 veces, la capacidad total de carga y descarga supera los 2 MWh, la pérdida de capacidad del sistema es inferior al XNUMX % y la potencia no tiene una atenuación evidente.
Toshiba de Japón produce en masa baterías de titanato de litio bajo la marca "SCiB". Entre ellas, las baterías cuadradas de carcasa de aluminio de 3.2 Ah, 10 Ah y 20 Ah se utilizan principalmente para motocicletas eléctricas, vehículos eléctricos y baterías de arranque y parada de automóviles. La batería SCiB tiene las ventajas de una carga rápida y una larga vida útil. Se puede cargar en más del 90% en 10 minutos, y la disminución de la capacidad de 3000 veces de carga y descarga repetidas es inferior al 10%. Se ha aplicado a motos eléctricas “EV-neo” por lotes.
En términos de almacenamiento de energía, Toshiba está aplicando baterías de titanato de litio a centrales eléctricas de almacenamiento de energía a gran escala y sistemas de almacenamiento de energía domésticos con la ayuda del Proyecto New Sunshine de Japón. Otra empresa japonesa, Murata, ha desarrollado una nueva batería de titanato de litio que utiliza óxido de litio, níquel y manganeso de 5 V como electrodo positivo. La diferencia de voltaje es de 3.2 V y la densidad de energía puede alcanzar los 130 Wh/K, lo que supera el nivel actual de las baterías de fosfato de hierro y litio.
China ya ha producido muchas baterías de titanato de litio, como Huzhou Weihong, Zhuhai Yinlong, Shenzhen Boleida, Tianjin Jiewei Power Industry Co., Ltd., Sichuan Xingneng, CITIC Guoan Mengguli Power Technology Co., Ltd., Hunan Shanshan y varias pequeños fabricantes de baterías de titanato de litio en Anhui y Shenzhen.
Los productos actuales de baterías de titanato de litio producidos en masa de Zhuhai Yinlong incluyen baterías de paquete blando de 20 Ah y 65 Ah y baterías cilíndricas de 25 Ah, 30 Ah y 55 Ah, y los indicadores de rendimiento han alcanzado las baterías de titanato de litio producidas por Austrian Titanium en los Estados Unidos. El ciclo 100% DOD de la batería supera los 16,000 ciclos, y el ciclo 10% DOD alcanza los 1.6 millones de ciclos. Todas estas baterías han pasado las pruebas de terceros del Laboratorio de Supervisión, Inspección e Identificación de Calidad de Automóviles del Norte (Instituto 201).
En términos de aplicación, el nuevo autobús eléctrico puro de Yinlong utiliza una batería cilíndrica de titanato de litio de larga duración y carga y descarga rápidas. Carga lenta durante 30 a 60 minutos. Esta serie de modelos se ha instalado con éxito en los sistemas de transporte público de Zhanjiang, Guangdong, Handan, Shijiazhuang y otros lugares de Hebei.
El antiguo autobús Dangdang especialmente diseñado y desarrollado por Yinlong para el transporte público de Beijing se puso en operación comercial en septiembre de 2014. El automóvil también fue designado como el automóvil oficial designado para la reunión de APEC en Beijing. En el mercado de almacenamiento de energía, Yinlong ha cooperado con State Grid y China Southern Power Grid para llevar a cabo los 863 proyectos nacionales de almacenamiento de energía, y proporcionó dos de 2MWh y uno para la estación de demostración de transmisión y almacenamiento de energía eólica y solar de Zhangbei y el almacenamiento de energía en batería de Shenzhen Baoqing. estación respectivamente. Parte del módulo, diseño de caja de batería y solución de sistema del sistema de titanato de litio de 600kWh.
Shenzhen Bo Leida puede preparar materiales de Li4Ti5O12 con buen rendimiento a través de un método de procesamiento de materiales único y a través de proyectos de investigación técnica, a partir de la mejora del proceso de producción de baterías de titanato de litio, el diseño y la preparación de Li4Ti5O12 de alto rendimiento ha logrado un progreso significativo. Los productos producidos en masa incluyen baterías cilíndricas de 17 Ah, 20 Ah y 25 Ah, que resolvieron el problema de que las baterías de titanato de litio son propensas a la flatulencia, obtuvieron productos de batería de titanato de litio de alto rendimiento y obtuvieron informes de pruebas autorizados de terceros.
A partir del diseño de materiales de electrodos de Li4Ti5O12 de alta potencia, Bo Leida Company estudió las reacciones secundarias interfaciales de los materiales de Li4Ti5O12 para revelar el mecanismo de producción de gas y el mecanismo de solución, e hizo un gran avance en la aplicación a gran escala de materiales de electrodos de Li4Ti5O12 en energía. pilas
Tianjin Gateway ha obtenido la transferencia de tecnología de producción de baterías de titanato de litio de Austrian Titanium, y combina su propia acumulación de tecnología en la producción de baterías de energía de paquete blando de polímero durante muchos años para vivir solo. La empresa ha superado con éxito el problema de la flatulencia y tiene la tecnología y la capacidad para producir en masa baterías de titanato de litio de una sola celda a gran escala con una capacidad de batería de 60 Ah y un envío acumulado de 20 millones de Ah.
La batería puede soportar cargas y descargas continuas por encima de los 10 °C, con una vida útil de más de 20,000 40 veces y un rango de temperatura de -60 a XNUMX °C. Se utiliza principalmente en autobuses de carga rápida y centrales eléctricas de almacenamiento de energía de frecuencia modulada.
Dificultades y direcciones de desarrollo del desarrollo de tecnología de baterías de titanato de litio.
Razones para desarrollar tecnología de baterías de titanato de litio en China
La competencia de la tecnología de baterías de titanato de litio en varias baterías de almacenamiento de energía en nuestro país debe tener las ventajas de tiempo, ubicación y personas. En términos de vida útil, el ciclo de vida ultralargo de la batería de titanato de litio es mucho mejor que el de varias baterías de plomo-ácido; su eficiencia, costo y rendimiento electroquímico son incluso mejores que los de los sistemas de baterías de sodio-azufre y flujo de vanadio.
A lo largo de los años, el principal mercado para los productos de baterías de litio ha sido el de los aparatos portátiles, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Aunque el consumo de teléfonos móviles y portátiles en China es grande, la mayoría de ellos no son marcas nacionales. Por lo tanto, la capacidad de venta de baterías de litio de los fabricantes nacionales de baterías de litio en aparatos eléctricos portátiles es inferior a la de los productos japoneses y coreanos.
Sin embargo, el mercado aplicable para la tecnología de titanato de litio son los vehículos eléctricos híbridos, las aplicaciones industriales especiales y las aplicaciones de almacenamiento de energía, como la regulación de frecuencia y el soporte de voltaje de la red. Estos mercados todavía están en pañales en todo el mundo y no está claro quién los dominará. Se espera que la tecnología de titanato de litio sea líder en estos mercados.
La base de población de China representa aproximadamente 1/5 de la población mundial. Debido a su gran población, el mercado chino de vehículos eléctricos, almacenamiento de energía y aplicaciones industriales es un mercado enorme codiciado por empresas multinacionales en muchos países. En los últimos años, el gobierno chino ha otorgado gran importancia al desarrollo de las industrias de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía, y se han introducido varias políticas de incentivos nacionales. Los sistemas de baterías de titanato de litio fabricados en China han acumulado datos de aplicaciones comerciales durante varios años en autobuses eléctricos híbridos en Chongqing y Europa, estaciones de demostración de almacenamiento eólico y solar en Zhangbei y la central eléctrica de almacenamiento de energía Shenzhen Baoqing.
Además, el flujo ascendente y descendente de la cadena industrial de baterías de litio de China ya se ha convertido en un clima. Además del suministro completo de material para baterías y las capacidades de fabricación de equipos, la capacidad de producción de productos de baterías de litio también es tres tercios de Japón y Corea del Sur. Esto hace que los fabricantes de baterías de litio de mi país tengan condiciones innatas para pasar de la producción tradicional de baterías de litio a la producción de productos de baterías de titanato de litio.
China ya cuenta con empresas con solidez y experiencia en la producción de materiales de titanato de litio, como Sichuan Xingneng, Zhuhai Yinlong y Huzhou Weihong. Las empresas representativas que se destacan en la producción de baterías de titanato de litio incluyen a Huzhou Weihong, Zhuhai Yinlong, Shenzhen Boleida y Tianjin Jiewei.
Estas empresas han establecido inicialmente sus propios canales de venta en los mercados de almacenamiento de energía y vehículos eléctricos en el país y en el extranjero. En particular, vale la pena señalar que Shenzhen Bo Leida tiene una serie de tecnologías patentadas y derechos de propiedad intelectual desde la producción de materiales hasta la producción de baterías y la integración de sistemas. En la actualidad, sigue siendo un fabricante raro con derechos de propiedad intelectual independientes en la industria de baterías de litio de China.
Cuello de botella en la producción de material de titanato de litio, baterías y paquetes de baterías
Dado que la tecnología de baterías de titanato de litio tiene muchas ventajas que otras baterías de litio no pueden igualar, ¿por qué se usa hasta ahora en la industria energética de China e incluso en el campo energético mundial? Hay tres razones para esto:
1. La producción de materiales de titanato de litio La producción de materiales de titanato de litio no es complicada en principio. Sin embargo, para ser utilizado como material de electrodo negativo para baterías de iones de litio, es necesario no solo prestar atención al material con área de superficie específica adecuada, tamaño de partícula, densidad y rendimiento electroquímico, etc., sino también para ser capaz de adaptarse al proceso de producción de baterías de litio a gran escala. Una de las razones por las que los materiales de titanato de litio no se pueden producir normalmente en muchas líneas de producción de baterías de litio tradicionales es que el pH de los materiales es 11 o 12, que es extremadamente higroscópico.
2. Producción de baterías de titanato de litio De hecho, el uso directo de líneas de producción de baterías de iones de litio convencionales para producir productos de baterías de titanato de litio no es tan simple como reemplazar el grafito con materiales de titanato de litio. Porque los materiales de titanato de litio tienen requisitos de humedad mucho más altos que la producción de baterías de iones de litio convencionales. Para controlar la humedad, es necesario ajustar algunos procesos de preparación para cumplir con los requisitos especiales de la producción de baterías de titanato de litio. Además, algunos equipos de producción también deben mejorarse en consecuencia. Si las condiciones lo permiten, lo mejor es rediseñar una línea de producción automatizada compacta, compacta y completamente cerrada para productos de baterías de titanato de litio.
3. Los paquetes de baterías de titanato de litio son diferentes de las baterías de iones de litio convencionales. En la actualidad, las baterías de titanato de litio producidas en el país y en el extranjero a menudo verán una pequeña cantidad de gas generada en las celdas individuales del paquete blando después de ser puestas en uso en grupos durante un período de tiempo. Estos gases son diferentes de los que se producen cuando se forman baterías nuevas. El primero puede eliminarse mediante el proceso de producción de la batería. Pero este último se genera durante el uso de la batería, o es difícil evitarlo en las condiciones actuales del proceso.
El autor cree que debería ser un buen tema de investigación para estudiar el mecanismo de reacción química de la producción de gas durante la circulación. Además, una de las ventajas de la tecnología de baterías de titanato de litio es su alto rendimiento energético. Aunque la batería en sí puede soportar cargas y descargas de alta corriente, las celdas individuales gruesas aún no son adecuadas para aplicaciones de alta potencia porque el calor generado por la alta corriente es difícil de disipar porque la batería es demasiado gruesa. Por lo tanto, para las baterías de titanato de litio de alta potencia, la estructura de batería de bolsa grande y delgada sigue siendo una opción razonable.
La futura dirección de desarrollo de la tecnología de titanato de litio.
Las ventajas del material de titanato de litio como ánodo de batería de litio son: seguridad ultra alta, vida útil ultra larga, amplio rango de trabajo a alta y baja temperatura, alta potencia, bajo costo y protección ambiental ecológica.
Desventajas: los materiales de titanato de litio tienen baja densidad de energía y fuerte absorción de agua, altos requisitos ambientales para la producción de baterías, actualización correspondiente de los procesos de producción, inversión en equipos necesarios y mayores requisitos para el control de la humedad en nuevos procesos y baterías de titanato de litio. El mercado de aplicaciones aún no está completamente abierto.
Resumen
En el entorno actual en el que el gobierno chino aboga enérgicamente por el desarrollo de nuevas energías e industrias relacionadas, cómo promover la tecnología de baterías de titanato de litio y su aplicación en el mercado de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía es una oportunidad indispensable para la industria de baterías de titanato de litio de China. , el tiempo no llegará. Debería ser una oportunidad única para las empresas nacionales Zhuhai Yinlong, Huzhou Weihong, Shenzhen Boleida, Sichuan Xingneng, Shenzhen Beterui y otras empresas que tienen algunas ventajas y canales de venta de derechos de propiedad intelectual independientes. Mucha gente no se da cuenta de que la ventaja de propiedad intelectual de China en la tecnología de titanato de litio no está disponible en la llamada "química principal" actualmente dominada por las baterías de fosfato de hierro y litio.
El desarrollo de materiales de cátodo de alta capacidad y alto potencial para mejorar la densidad de energía de las baterías de titanato de litio es un buen movimiento para ponerse al día con Japón y Corea del Sur. Por supuesto, al mismo tiempo, se debe estudiar todo el sistema químico de la batería de iones de litio, como los electrolitos de alto potencial y los separadores antioxidantes. Los esfuerzos de la industria de baterías de litio de China para desarrollar tecnología de baterías de titanato de litio serán ampliamente recompensados por los mercados emergentes para vehículos eléctricos, almacenamiento de energía y aplicaciones industriales.
