锂电池数据中心未来发展应用展望

锂电池包括锂金属电池和锂离子电池，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(简称:锂电池)的能量密度和安全性能的持续提升、成本的持续降低,锂电池在通信领域、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。

为什么要用锂电池(见图1)

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,数据中心的锂电池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年的时间内,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行业领域的共识。

电池技术路线趋势（见图2）

13C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;2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(4.25V)后能量密度提升不明显;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，转向磷酸铁锂路线;3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;4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。

锂电池的基本参数和工作原理

1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。

2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:　　        

放电时:

负极反应:放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入。　　

充电时:       

放电时:　　

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池?

1推荐选用磷酸铁锂材质“Goodenough” 

2019年诺贝尔化学奖授予了JohnB 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。锂电池,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。

2为什么推荐采用磷酸铁锂材质? 

目前业界主流的锂电池分为钴酸锂、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。数据中心场合目前普遍采用磷酸铁锂和三元锂两种电芯,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

从分子结构来看,磷酸铁锂分子结构为橄榄状三维结构,而钴酸锂、三元锂分子结构都是层状二维结构,2D层状结构易坍塌,相对而言,磷酸铁锂分子结构更稳定(见图3)。

2、磷酸铁锂热稳定性高、产热速率慢,产热少(见图4)

·磷酸铁锂高温稳定,高温下产热峰值不明显,峰值产热功率仅1W左右;　　　

·高温或高压下,三元易析氧,加剧燃烧,峰值产热功速率约80W/min,容易触发爆炸式燃烧(秒级),系统难以反应控制;　　　　

·总产热量方面,磷酸铁锂显著低于三元、锰酸锂等材料(产热功率曲线与横轴的面积代表总产热量)。

3、磷酸铁锂热失控反应不产生助燃剂

磷酸铁锂在热失控后不会产生氧气,而锰酸锂、钴酸锂、三元锂在热失控后都会产生氧气,因此,更容易起火。而磷酸铁锂热失控所需要的温度更高,相对而言,锰酸锂、钴酸锂、三元锂热失控需要达到的温度点都远低于磷酸铁锂(见图5)。

数据中心锂电池应用的瓶颈

1成本是瓶颈,但未来可期随着锂电池在电动汽车、工业储能、终端设备等行业的大量使用,以及整个行业生态的建立,锂电池成本成逐年下滑的趋势。而铅酸电池(含铅)成本却时高时低,未来成本有上升趋势。因此,在不久的将来,锂电池的成本优势会愈发明显,锂电池必将在数据中心大规模应用。但是,就目前来看,因为行业铅酸品牌及价格层次不齐,给我们的感觉还是锂电池比铅酸电池贵(见图6)。

（编辑：应用网_阳江站长网）

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