市场情报

从 1991 年 SONY 公司推出第一只商用锂离子电池, 到 2009 年华为在通信基站大规模使用锂电,再到2016 年电动车(锂电

锂电数据中心未来发展应用展望

来源:主机租用 作者:香港服务器 浏览量:91
2020-03-09
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锂电池是指锂金属电池和锂离子电池的总称,通常所说的锂电池是锂离子电池,其特点是不含有金属态的锂,支持反复充放电使用。

从 1991 年 SONY 公司推出第一只商用锂离子电池,  到 2009 年华为在通信基站大规模使用锂电,再到2016 年电动车(锂电)市场爆发,目前,全球前十锂电厂商的动力电池销量接近 90GWh。

而随着锂离子电池的能量密度和安全性能的持续提升、成本的持续降低,锂电在通信领域、电力领域、动力汽车领域、数据中心等领域的需求越来越大,锂电正在向着成为新一代主流能源的方向稳步迈进。

为什么要用锂电?

铅酸电池在通信行业领域数十年来长期占主导地位。但铅酸电池循环寿命短、占地大、对机房承重要求高,生产制程容易造成环境污染,各国的铅酸电池发展都趋于萎缩,中国铁塔已经明确不再招标铅酸电池。而锂电池天然具有能量密度高、占地小、长循环寿命等铅酸不具备的优势。伴随着铅酸电池市场占有率快速下降,锂电池在全球的应用急剧增加,其中 5G 站点几乎全部被锂电池覆盖,数据中心的锂电应用在国外一些大型的 ISP 客户也在开始规模使用。可以预测未来 3~5 年时间,锂电池市场份额将接近或超过铅酸电池,锂电池未来占据市场主导已经是各领域的共识。

电池技术路线趋势

3C类:钴酸锂提升充电电压上限,持续提升能量密度;预计2025年后,全固态电解质可进一步提升电压,逐步逼近材料理论上限4.9V 动力:高端EV:三元(液态)提升Ni含量+充电电压提升能量密度,Ni含量(811)和电压(4.25)后能量密度提升不明显;未来向固态预计2025年后全固态电解质商用,电压可以进一步提升;中低端EV+大巴:转向铁锂路线 循环储能:磷酸铁锂:材料克容量(当前155mAh/g)已接近理论极限(172mAh/g),电压提升已达到极限;主要向循环和安全特性演进;钠离子电池是未来潜在选项:原材料廉价,复用锂电产业链; 短时备电:磷酸铁锂,安全、寿命、性价比最优,向功率密度提升、安全等特性演进;未来预计为电池+电容等复合路线

图1:电池发展技术路线

锂电的基本参数

锂电池基本参数概念

电池容量(Ah):在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量,通常以安培·小时为单位。

充放电倍率(C):充放电倍率 = 充放电电流 / 额定容量。

锂电池工作原理介绍

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

正极材料:可选的正极材料很多,主流产品为磷酸铁锂和三元(镍钴锰或镍钴铝)。 

负极材料:多采用石墨。

以磷酸铁锂电池为例:

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。

充电时:LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-

放电时:Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4

负极反应:放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入。 

充电时:xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放电时:LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

锂电池种类(一般按照正极材料分类)

钴酸锂(LCO)  

锰酸锂(LMO)  

磷酸铁锂(LFP) 

三元锂(NCM)

数据中心推荐采用什么材质锂电?

磷酸铁锂“Goodenough”

2019年诺贝尔化学奖授予了John B Goodenough,M.Stanley Whittingham 和Akira Yoshino,以表彰他们在锂离子电池发展上所做的贡献。

尤其John Goodenough成为历史上最高龄的诺奖得主,其一生对于锂电池的探索尤为令人敬佩,磷酸铁锂(LFP)作为他的重要贡献之一,磷酸铁锂也被认为是目前最安全,最环保的锂离子电池正极材料。

锂电,尤其是磷酸铁锂在数据中心和通讯基站的应用,就如同老爷子的名字一样,已经Goodenough了。

为什么推荐采用磷酸铁锂?

目前业界主流的锂电分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元锂。钴酸锂主要应用与手机电池行业;锰酸锂主要应用于电动自行车行业;磷酸铁锂广泛应用于大巴车 / 公交车储能,储能电站;三元锂广泛应用于家用车 / 出租车储能,储能电站行业。在数据中心场景目前普遍采用磷酸铁锂和三元锂 2 种电芯,磷酸铁锂可靠性更高,三元锂能量密度有优势。

1、磷酸铁锂结构更稳定

图2:不同锂电电芯分子结构

来源:Soroosh Sharifi-Asl, et al., Oxygen Release Degradation in Li-Ion Battery Cathode Materials: Mechanisms and Mitigating Approaches. Adv. Energy Mater. 2019, 1900551

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