電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
鋰電池是指鋰金屬電池和鋰電池的總稱，通常所說的鋰電池是鋰電池，其特點是不含有金屬態的鋰，支持反復充放電使用。
從1991年SONY公司推出第一只商用鋰電池，到2009年華為在通信基站大規模使用鋰電，再到2016年電動車（鋰電）市場爆發，目前，全球前十鋰電廠商的動力鋰離子電池銷量接近90GWh。
而隨著鋰電池的能量密度和安全性能的繼續提升、成本的繼續降低，鋰電在通信范疇、電力范疇、動力汽車范疇、數據中心等范疇的需求越來越大，鋰電正在向著成為新一代主流能源的方向穩步邁進。
為甚么要用鋰電？
鉛酸蓄電池在通信行業范疇數十年來長期占主導地位。但鉛酸蓄電池循環壽命短、占地大、對機房承緊要求高，加工制程容易造成環境污染，各國的鉛酸蓄電池發展都趨于萎縮，我國鐵塔已經明確不再招標鉛酸蓄電池。而鋰電池天然具有能量密度高、占地小、長循環壽命等鉛酸不具備的優點。伴隨著鉛酸蓄電池市場占有率快速下降，鋰電池在全球的使用急劇新增，其中5G站點幾乎全部被鋰電池傾覆，數據中心的鋰電使用在國外一些大型的ISp客戶也在開始規模使用。可以預測將來3～5年時間，鋰電池市場份額將接近或超過鉛酸蓄電池，鋰電池將來占據市場主導已經是各范疇的共識。
電池技術路線趨勢
3C類：鈷酸鋰提升充電電壓上限，繼續提升能量密度；預計2025年后，全固態電解質可進一步提升電壓，逐步逼近材料理論上限4．9V動力：高端EV：三元（液態）提升Ni含量＋充電電壓提升能量密度，Ni含量（811）和電壓（4．25）后能量密度提升不分明；將來向固態預計2025年后全固態電解質商用，電壓可以進一步提升；中低端EV＋大巴：轉向鐵鋰路線循環儲能：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；緊要向循環和安全特性演進；鈉離子電池是將來潛在選項：原材料廉價，復用鋰電產業鏈；短時備電：磷酸鐵鋰，安全、壽命、性價比最優，向功率密度提升、安全等特性演進；將來預計為電池＋電容等復合路線
圖1：電池發展技術路線
鋰電的基本參數
鋰電池基本參數概念
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。
鋰電池工作原理解析
鋰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、使用非水電解質的電池。
正極材料：可選的正極材料很多，主流產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。
充電時：LiFepO4＆rarr；Li1－xFepO4＋xLi＋＋xe－
放電時：Li1－xFepO4＋xLi＋＋xe－＆rarr；LiFepO4
負極反應：放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入。
充電時：xLi＋＋xe－＋6C＆rarr；LixC6
放電時：LixC6＆rarr；xLi＋＋xe－＋6C
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）
數據中心推薦采用什么材質鋰電？
磷酸鐵鋰“Goodenough”
2019年諾貝爾化學獎授予了JohnBGoodenough，M．StanleyWhittingham和AkiraYoshino，以表彰他們在鋰電池發展上所做的貢獻。
尤其JohnGoodenough成為歷史上最高齡的諾獎得主，其一生關于鋰電池的探索尤為令人敬佩，磷酸鐵鋰（LFp）作為他的緊要貢獻之一，磷酸鐵鋰也被認為是目前最安全，最環保的鋰電池正極材料。
鋰電，尤其是磷酸鐵鋰在數據中心和通訊基站的使用，就如同老爺子的名字相同，已經Goodenough了。
為甚么推薦采用磷酸鐵鋰？
目前業界主流的鋰電分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰。鈷酸鋰緊要使用與手機電池行業；錳酸鋰緊要使用于電動自行車行業；磷酸鐵鋰廣泛使用于大巴車／公交車儲能，儲能電站；三元鋰廣泛使用于家用車／出租車儲能，儲能電站行業。在數據中心場景目前普遍采用磷酸鐵鋰和三元鋰2種電芯，磷酸鐵鋰可靠性更高，三元鋰能量密度有優點。
1、磷酸鐵鋰結構更穩定
圖2：不同鋰電電芯分子結構
來源：SorooshSharifi－Asl，etal．，OxygenReleaseDegradaTIoninLi－IonBatteryCathodeMaterials：MechanismsandMiTIgaTIngApproaches．Adv．EnergyMater．2019，1900551
從分子結構來看，磷酸鐵鋰分子結構為橄欖狀三維結構，而鈷酸鋰、三元鋰分子結構都是層狀二維結構，2D層狀結構易坍塌，相對而言，磷酸鐵鋰分子結構更穩定。
2、磷酸鐵鋰熱穩定性高、產熱速率慢，產熱少
磷酸鐵鋰高溫穩定，高溫產熱峰不分明，峰值產熱功率僅1W左右高溫或高壓下，三元易析氧，加劇燃燒，峰值產熱功速率約80W／min，容易觸發爆炸式燃燒（秒級），系統難以反應控制總產熱量方面，磷酸鐵鋰顯著低于三元、錳酸鋰等材料（產熱功率曲線與橫軸的面積代表總產熱量）
圖3：不同鋰電高溫狀態下產熱量比較曲線
來源：p．peng，F．Jiang．，Thermalsafetyoflithium－ionbatterieswithvariouscathodematerials：Anumericalstudy．
InternaTIonalJournalofHeatandMassTransfer．103（2016）1008＆ndash；1016
3、磷酸鐵鋰熱失控反應不萌生助燃劑
磷酸鐵鋰在熱失控后不會萌生氧氣，而錳酸鋰、鈷酸鋰、三元鋰在熱失控后都會萌生氧氣，因此，更容易起火。
而磷酸鐵鋰熱失控所要的溫度更高，相對而言，錳酸鋰、鈷酸鋰、三元鋰熱失控要達到的溫度點都遠低于磷酸鐵鋰。
圖4：不同鋰電熱失控反應比較
數據中心鋰電使用的瓶頸
1、成本是瓶頸，但將來可期
隨著鋰電在電動車、工業儲能、終端設備等行業的大量使用，以及整個行業生態的建立，鋰電成本成逐年下降的趨勢，而鉛酸蓄電池（含鉛）成本卻時高時低，將來成本有上升趨勢。因此，在不久的未來，鋰電的成本優點會愈發分明，鋰電必將在數據中心大規模使用。但是，就目前來看，因為行業鉛酸品牌及價格層次不齊，給我們的感覺還是鋰電比鉛酸貴。
數據來源：CBIA，CAAM，HuaweiSearch
2、可靠性依然是將來鋰電使用最大的障礙
鋰電盡管使用廣泛，但是無能是電動車還是手機都出現過熱失控、起火等事故。在數據中心，則對可靠性要求更高，一旦發生火災，整個數據中心業務可能都會受到嚴重損失。
圖6：鋰電熱失控起火案例
數據中心鋰電使用安全保證
鋰電安全性根因
電池內部在過溫柔過壓情況下出現許多放熱副反應，繼而形成熱量正反饋，從而出現熱失控，萌生高溫柔大量可燃氣體，繼而燃燒。
而機械電熱激源刺激下引發熱失控的根因。
圖7：鋰電熱失控起火根因
鋰電安全性保障
從近幾年鋰電池起火事故（如：Note7，Tesla等），歸納為內部短路、析鋰、高溫、體積變化致起火爆炸發生。
而電芯選擇磷酸鐵鋰并不能萬無一失。所以，在鋰電的設計使用中應當從電芯＋pACK＋BMS＋系統＋云計算／大數據等多層面保障鋰電安全才能將鋰電的熱失控起火事故控制在最低限度。
（1）電芯材料體系的選擇：優選磷酸鐵鋰，熱失控溫度點高，產熱速率慢、產熱總量少，根本上保障安全性
（2）電芯結構安全設計：機械結構及時切斷，抑制溫度上升；涂層抑制熱失控
機械結構：外短路及過充電濫用，通過fuse，OSD等機械結構及時切斷，抑制溫度上升，阻止連鎖反應至熱失控；功能涂層（化學保護）：發生內短路，機械結構不起作用，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。比如
激光焊規避螺釘松脫風險多溫度傳感器確保模塊內溫、電壓等實時監控夾緊力保證結構穩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構強度電芯表面絕緣膜包覆，保證電芯與外部絕緣力
圖7：鋰電電池模塊安裝設計技術流程
（4）BMS安全設計：三級BMS架構，常規V、I、T采樣測試、均衡、閾值告警保護＋內短路算法＋內溫估計算法＋析鋰估計算法，確保電芯不出現熱失控
（5）系統安全設計：
智能電池控制系統，做到單組電壓、電流、功率可控，避免出現偏流、環流情況機柜級消防系統，做到熱失控快速抑制，精準、高效、環保
（6）AI智能安全保證：關鍵數據上傳至云端，實時監控電池狀態，通過橫向縱向比較＋數據庫＋安全算法分解，提前進行月／天級安全預警
數據中心鋰電使用的挑戰
數據中心鋰電大量使用除了要處理可靠性及成本問題，事實上，用戶在使用鋰電時還存在諸多問題，這些問題也將成為將來鋰電大量使用的關鍵考量。
挑戰1：多柜并柜均流問題，多柜并聯放電，因電芯內阻、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2：新舊電池柜在線擴容問題，鋰電系統在使用過程中，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使用的場景。新舊電池柜混用因內阻、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3：電芯串聯均壓問題，單組電池內電芯內阻容量等不一致，導致單電芯充電過壓，使得整個電池系統無法洋溢電。
挑戰4：故障維護問題，單串電池包內某個電池模塊故障，引起整組電池無法正常工作，要怎么樣快速維護更換。
挑戰5：消防問題，當鋰電入列微模塊數據機房，倘若鋰電柜內發生火災，要怎么樣將火災控制在機柜內部，不擴散到周邊ICT設備？
結尾
鋰電相關于鉛酸有者低承緊要求、占地小、能量密度高、循環壽命長等天然優點，所以，將來隨著鋰電成本進一步降低，鋰電在數據中心必將大量使用。在安全保障方面，優先推薦采用磷酸鐵鋰高穩定電芯，其次要從pack、BMS、系統等層面多維度來保障鋰電安全使用。然而，事實勝于雄辯，鋰電的可靠性及實際使用要經得起探測考驗，鋰電在數據中心的大量使用更要經得起市場驗證。
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