电池技术路线趋势分析 数据中心锂电应用将面临哪些挑战.docx

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1、电池技术路线趋势分析数据中心理电应用将面临哪些挑战前言锂电池是指锂金屈电池和也离了电池的总称,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，支持反曳充放电使用。从1991年SONY公司推出第一只商用锂离子电池，到2009年华为在通值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90JWh,而随若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，俚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卜年来长期占主导地位。但钳酸

2、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，中国铁塔己经明确不再招标铅酸电池。而锂电池天然具有能显需度高、占地小、氏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手盖，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35年时间，钾.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：钻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4.9

3、V动力：高端EV：三元（液态）提升Ni含金+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：转向铁锤路线循环储能：碑酸铁锂：材料克容量（当前155mAhg）已接近理论极限（172mhG,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，亚用锂电产业链：短时备电：璘酸铁锂，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+电容等笈合路线图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址（Ah）：在一定条件下（放电率、

4、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/额定容地。锂电池工作除理介绍锂离子电池一般是使用锂台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，主潦产品为磷酸铁锂和一:元（银钻搐或锲帖铝）0负极材料：多采用石斑0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:1.iFePO4&rarr：1.i1.xFeP04x1.ixe-放电时：1.i1.xFeP04+x1.i+xe&rarr；1.iFePo4负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入.充电时：x1.i+xe-+6C&

5、rarr：1.ixC6放电时：1.ixC6&iarr；x1.i+xe-6C锂电池种类（一般按照正极材料分类）牯酸锂（1.CO）镭酸锂（1.MO）磷酸铁锤（1.FP）三元侔（NCM）数据中心推拄采用什么材质锂电？磷酸铁锂Goodenough”2019年诺贝尔化学奖授予了JohnBGoodenough,M.Stan1.eyWhittingham和AkiraYoshino,以表彰他们在锂离子电池发展上所做的贡献。尤其JOhnGoodenough成为历史上坡高龄的诺奖得主，其一生对于锂电池的探索尤为令人敬佩，磷酸铁锂（1.FP）作为他的重要贡献之一，璘酸铁锤也被认为是目前最安全，最环保的锂离了电池正极

6、材料。锂电，尤其是罅酸铁俾在数据中心和通讯基站的应用，就如同老爷子的名字样，已经GoOdenoUgh了。为什么推荐采用璘酸铁锤？目前业界主流的锂电分为钻酸锂、镭酸锂、磷酸铁锂和三元锂。钻酸锂主要应用与扰电池行业：钛酸锤主要应用于电动自行车行业：磷酸铁俚广泛应用于大巴军/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：元锂2种电芯，硝酸铁锂可靠性更高，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：SorooshSharifi-As1.eta1.OxygenRe1.easeDegradationin1.i-

7、IonBatteryCathodeMateria1.s：MechanismsandMitigatingApproaches.Adv.EnergyMater.2019,1900551从分子结构来看，磷酸铁锂分了结构为橄税状三维结构,而钻酸锂、三元锂分子结构都是乂状二维结构，2D层状结构易坍塌，相对而言，磷酸铁锂分子结构更稳定。2.磷酸铁锂热稳定性而、产热速率慢，产热少磷酸铁锂高温稳定，高温产热峰不明显，峰值产热功率仅IW左右高温或高压下,三元易折乳，加剧燃烧，峰值产热功速率约80Wmin,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、锌酸俚等材料（产热功率曲线与

8、横轴的面积代表总产热量）图3：不同锂电高温状态下产热量对比曲线来源：P.Peng,F.Jiang.,Therma1.safetyOf1.ithium-ionbutterieswithvariouscathodemateria1.s：Anuinerica1.study.Internationa1.Journa1oFHeatandMassTransfer.103(2016)1008&ridash；10163、磷酸铁锂热失控反应不产生助燃剂磷酸铁理在热失控后不会产生氧气，而钛酸理、粘酸锂、：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，锦酸锂、钻酸锂、三元

9、俚热失控需要达到的温度点都远低于磷酸铁锂。图4：不同锂电热失控反应对比数据中心锂电应用的瓶颈1、成本是瓶颈，但未来可期随着锂电在电动汽车、工业信能、终端设备等行业的大员使用，以及整个行业生态的建立，锂电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，便电的成本优势会愈发明显，锂电必聘在数据中心大规模应用。但是，就目前来看，因为行业铅酸员牌及价格层次不齐，给我们的感觉还是钝电比铅酸贵。数据来源：CBIA,CAM.HuaweiSearch2、可靠性仍然是未来锂电应用最大的障碍锂电尽管应用广泛，但是无能是电动汽车还是手机都出现过热失控、起火等事故。在数

10、据中心，则对可靠性耍求更高，一旦发生火灾，整个数据中心业务可能都会受到严武损失。图6：锂电热失控起火案例数据中心锂电应用安全保证锂电安全性根因电池内部在过温和过压情况卜.出现许多放热副反应，继而形成热量正反馈，从而出现热失控，产生高温和大忌可燃气体，继而燃烧。而机械电热激源剌激卜.引发热失控的根因。图7：锂电热失控起火根因锂电安全性保障从近几年锂离子电池起火事故（如：Not。？，TeSIa等），归纳为内部短路、析理、而温、体积变化致起火爆炸发生。而电芯选择磷酸铁锋并不能万无一失。所以，在锂电的设计应用中应该从电芯+PACK+BMS+系统+区旦邕/大数据等多层面保障锂电安全才能将锂电的热失控起火

11、事故控制在最低限度。（1）电芯材料体系的选择：优选璘酸铁锂，热失控温度点高，产热速率慢、产热总量少，根本上保障安全性（2）电芯结构安全设计：机械结构及时切断，抑制温度上升：涂层抑制热失控机械结构：外短路及过充电滥用，通过CUSe,忸等机械结构及时切断，抑制温度上升，阻止连锁反应至热失控：功能涂层（化学保护）：发生内短路，机械结构不起作用，功能涂层抑制隔离膜收缩，避免大面积短路：（3）电池模块PACK安全设计：电池模块PACK设计整体从2层4点出发。比如激光焊规避螺钉松脱风险多温度也蹈确保模块内温、电压等实时监控央紫力保证结构检定性绝缘保护板保护正负端子塑胶绝缘支架，保证电芯间绝缘和结构强度电芯

12、表面绝缘膜包覆，保证电芯与外部绝缘力图7：锂电电池模块安装设计技术流程（4）BMS安全设计：三级BMS架构，常规V、I、T采样检测、均衡、闽值告警保护+内短路算法+内温估计算法+析锂估计算法，确保电芯不出现热失控（5）系统安全设计：望旋电池控制系统，做到班组电压、虫流、功率可控，避免出现偏流、环流情况机柜级消防系统，做到热失控快速抑制，精准、高效、环保（6）A1.智能安全保证：关键数据上传至云端，实时监控电池状态，通过横向纵向对比+数据库+安全算法分析，提前进行月/天级安全预警数据中心锂电应用的挑战数据中心俚电大量应用除了要解决可靠性及成本问题，事实上，用户在应用锂电时还存在诸多问题，这些问题

13、也将成为未来俾电大量应用的关键考量。挑战I：多柜井柜均流问题，多柜并联放电，因电芯内阻、容量等不一致、配电的差异等导致的柜间放电不均流，尤其是在短时大电流放电时，造成电池拒逐个过流保护。挑战2：新旧电池柜在线扩容问题，锂电系统在应用过程中，无法避免部分失效率的问题：或者因负我增大而扩容的需求：就会有新I1.1.电池柜并联使用的场景.新旧电池柜混用因内阻、容量:的不一致,会导致严重偏流，鹤至导致单电池柜过潦断开。挑战3：电芯串联均压问题，单-组电池内电芯内阻容量等不一致，导致单电芯充电过压，使得盛个电池系统无法充满电。挑战4：故障维护间网，单串电池组内某个电池模块故障，引起整组电池无法正常工作，如何快速维护更换。挑战5：消防问题，当锂电入列微模块数据机房，假如锂电柜内发生火灾,如何将火灾控制在机柜内部，不扩散到周边ICT设备？结尾锂电相对于钳酸有者低承成要求、占地小、能量密度高、循环寿命长等天然优势，所以，未来随若锂电成本进一步降低，锂电在数据中心必将大量应用。在安全保障方面，优先推荐采用磷酸铁钾.高稳定电芯，其次要从pack、BMS,系统等层面多维度来保障锂电安全应用。然而，事实胜于雄辩,锂电的可靠性及实际应用需要经得起测试考验，理电在数据中心的大量应用更需要经得起市场验证。责任WY