钠离子电池在轨道交通车辆上的应用分析

钠离子电池在轨道交通车辆上的应用分析

蒋正

中车株洲电力机车有限公司  湖南省株洲市 邮编：412000

0、引言

基于国家双碳政策带来强烈节能环保需求，内燃机车升级为混动及电力机车已成趋势;电池能作为机车的动力能源，提高能源利用率，具有零排放、无污染、低噪声等特点，可降低污染物和碳排放，降低环保投入，改善作业人员工作环境，有效解决传统内燃机车的“痛点”，符合未来的主流技术发展趋势，是铁路运输的“绿色”解决方案。电池技术迭代更新日新月异，目前已有一种新型的二次充电电池---钠离子电池达到量产状态，现在成为轨道交通装备领域重要的应用潜力。

1、轨道交通电池使用现状

目前在轨道交通领域，控制落电池基本为铅酸电池。传统轨道交通动力电池为铅酸电池。随着锂离子技术在电动汽车上的成熟应用基于轨道交通领域的高安全性要求，锂电池在轨道交通的应用已经有了有钛酸锂和磷酸铁锂。钛酸锂电池已小批量搭载在机车上，磷酸铁锂电池目前国铁集团已有实车样机搭载，处于路试应用探索中，路外市场也已开始应用。但目前的锂电池仍然有着一些性能提开空间，无法完全满足轨道交通装备各种条件下的使用。

随着钠离子电池的量产，或将在轨道交通装备上有合适的应用场景。有铅酸电池负极为Pb，正极为PbO2，电解液是稀H2SO4。磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂作为电池的正极，石黑为负极。钛酸锂电池是以钛酸锂为负极，钴基/锰基材料作为电池的正极。钠离子电池正极目前有三类材料是主流研究方向，一是过渡金属氧化物，二是聚阴离子化合物，三是普鲁士蓝。钠离子负极材料可大致分为碳基材料、转化基材料、和合金基材料。不同体系各有优势。

2、钠离子电池优缺点

钠离子电池已逐步开始了从实验室阶段走向工程化,应用的阶段，国内外已有达到可量产阶段钠离子电池。钠离子电池对比其性能与其他类型电池，优点与缺点具备明显特征。

在能量密度方面，钠离子电池的电芯通常为100-150Wh/g，随着技术和生产工艺的成熟长期可达到200Wh/kg。钛酸锂离电池电芯的能量密度在70-100Wh/g。磷酸铁锂电芯的能量密度在140-200Wh/kg 和铅酸电池的35-45Wh/kg。钠离子电池明显优于铅酸电池，高于钛酸锂电池，并部分达到了磷酸铁锂电池的水平。

在工作温度范围上，钠离子电池工作温度范围较大，通常为-40℃~ 80 ℃，而钛酸锂锂离子电池工作范围可达到在-40 ℃ ~ 80 ℃磷酸铁锂电池放电工作温度范围通常在-30'℃ ~ 55 ℃℃，在0℃℃以下无法充电。

电池是一个对温度非常敏感的储能部件，在25℃时综合性能最佳。在其安全工作温度范围内，随着温度增高，电池内的化学反应速度加快，功率性能将提升，容量释放变大。而不同的电池，在低温度下的放电性能差异明显。在-20 ℃ 时候，磷酸铁锂电池放电容量约为60%，钛酸锂性能-20℃容量保持在80%左右.相比之下，钠离子电池在-20℃下，容量保持率在90% 左右。

充电速度方面将电池的荷电状态(SOC)从20%充电至80%，钠离子电池只需15 分钟，磷酸铁锂需要45分钟，钛酸锂电池需5-15 分钟。

循环寿命上，钛酸锂循环寿命可达到20000-3000次;磷酸铁锂循环寿命在4000-6000次;钠离子电池目前为2000-3000次;随着技术和生产工艺，长期将可达到6000次，铅酸电池1000次，钠离子电池目前已经明显倍数于铅酸电池，但尚未达到磷酸铁锂的水平。长期可达到磷酸铁锂电池水平，远远不及钛酸锂电池循环寿命。

不同电池，因其正负极材料的差异，其电池的安全性有着本质上的差异。充电安全性上，钠离子电池优于磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池在过充时将产生锂枝晶刺破隔膜造成电池内短路。而钠离子电池过充产生的枝晶平行于隔膜，不会刺穿隔膜，更安全。钛酸锂在放电安全性上，磷酸铁锂电池放电至0V将产生不可逆转的损伤。钠离子电池和钛酸锂电池正负极集流体均可采用铝，可安全放电到0V。耐受过放电能力强于磷酸铁锂，也因此钠离子电池在长期存放时，安全性更好。

在市场上应用时，我们不得不考虑成本问题，从材料成本上进行对比，钠离子电池成本目前约为磷酸铁锂电池的75%，随着技术的发展，长期成本约为磷酸铁锂电池的50~60%。钛酸锂电池因正极材料成本高，目前度电成本是磷酸铁锂的2倍以上。

3、钠离子电池应用分析

轨道交通领域目前对二次电池的使用主要为两种场景，一是作为动力电池，提供能量驱动车辆移动。二是做控制蓄电池，为车载设备提供低压控制电源。

为了达到轨道交通装备大功率、长续航需求，动力电池需求的能量密度、功率密度是应用的基础。钠离子功率性能已超越磷酸铁锂能量密度已超越钛酸锂，达到了作为动力电池使用的条件。在高功率应用场景，其循环寿命目前远低于钛酸锂，无法支撑轨道交通车辆的多年使用。在长续航应用场最，其能量密度及循环寿命皆低于磷酸铁锂。目前的钠离子电池还不足以对钛酸锂电池和磷酸铁锂电池形成优势替代。考虑到钠离子电池极好的而地位性能随着钠离子电池的长期发展，其在续航需求及功率需求不高的新能源机车上或将有一席之位。

控制电池在轨道交通车辆上通常布置在机械间内。按照轨道交通机车的设计条件，控制电池环境温度可能达到70℃，传统铅酸电池虽然可以满足使用，但寿命衰减迅速。受限于成本，目前昂贵的钛酸锂电池市场无法接受。磷酸铁锂电池0℃以下无法充电，无法在低温下满足浮充的需求，在控制电池的应用上存在着巨大的短板。而钛酸锂电池其温度窗口满足控制电池温度需求，其循环寿命、能量密度、功率密度都远远高于铅酸电池。其低温性比锂离子电池更加优秀，同时具备成本优势。在控制蓄电池上具备极大的应用潜力。

4、结论

在轨道交通电池应用场景，钠离子电池作为控制电池具备明显优势，是合适的产业方向。但在动力电池应用场景较锂离子电池仍然无明显优势，随着性能或将有合适的应用场景。