锂电数据中心未来发展应用展望

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

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。

2、磷酸铁锂热稳定性高、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 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）

图3：不同锂电高温状态下产热量对比曲线

来 源 ：P. Peng, F. Jiang., Thermal safety of lithium-ion batteries with various cathode materials: A numericalstudy.

InternationalJournalofHeatandMass Transfer. 103(2016)1008–1016

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。

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

（编辑：ASP站长网）