锂电在数据中心应用的分析

1、锂电在数据中心应用的分析数据中心能源白皮书锂电在数据中心应用的分析锂电在数据中心应用的分析12前言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。一、为

2、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 35 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。锂电的基本参数锂电柜锂电模块锂电电芯锂电池基本参数概念电池容量（

3、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。

4、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）锂电在数据中心应用的分析锂电在数据中心应用的分析 PAGE 8 PAGE 7锂电池正极材料结构磷酸铁锂 (LFP) 橄榄状三维结构更稳定锰酸锂 (LMO) 立方晶体结构 稳定钴酸锂 (LCO) 层状二维结构易变型三元锂 (NCM) 层状二维结构 易变型锂电循环寿命长锂电池循环寿命长、浮充寿命长、放电效率高、快放容量损失小、能量密度高、占地面积小的特点，在场地空间受限的场景使用有很大的优势。随

5、着锂电成本的持续降低，未来锂电在数据中心的应用必将成为趋势。锂电循环寿命长锂电的循环寿命远高于铅电池。锂电在 100% DOD 情况下，循环次数可达 3000 次，深度放电场景循环次数不低于 3000 次在 50% DOD 情况下，循环次数可达 6000 次，浅度放电场景循环次数不低于 6000 次铅酸在 100% DOD 情况下，循环次数 150 次左右，深度放电情况对于电网质量差的场景，铅酸更换次数频繁Number of CyclesCycle life at different DOD在 50% DOD 情况下，循环次数 600 次左右，浅度放电情况对于电网质量差的场景，铅酸同样更换次数

6、频繁10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%DOD12V铅酸循环寿命080070060050040030020010025 0.1C discharge / charge 70%EOLDOD锂电的循环寿命100%75%50%25%3000030004000585090006000112001200025 0.5C/1C70%EOL图 1：锂电和铅酸电池的循环寿命曲线锂电浮充寿命长锂电浮充寿命长锂电的浮充寿命是铅酸电池 2 倍以上。锂电：在 70% EOL25浮充时，锂电寿命长达 15 年，在电网质量好的场景，15 年生命周期内不需要整体更换电池典型12V

7、铅酸浮充寿命37年10864Year200.70.570%7yrsFloating Charging 25Float Charging 25100%90%80%70%70%15yrs60%50%0246810121416Year锂电的浮充寿命15年Capacity Retention/%Capacity Retention/%铅酸：在 70% EOL25浮充时，行业内铅酸寿命最多 7 年，即使在电网质量好的场景，也需要 37 年整体更换一次。耗费人力及电池成本。图 2：锂电和铅酸电池的浮充寿命曲线放电效率高，快放容量损失小放电效率高、快放容量损失小锂电池大倍率放电能放出更多容

8、量，适合用于数据中心短时大倍率放电场景。锂电：短时大倍率放电，可放出的能量更多，随着放电倍率增加，可放电容量变化平缓，放电容量可达90% 以上。铅酸：短时大倍率放电，可放出的能量很小，随着放电倍率增加，可放电容量呈现快速下降趋势，只能通过多配置电池解决，增加电池投资。可放容量【%】 20%40%60%100%100%100%100%4C2C1C0.1C95%C-rate64200铅酸电池（一般）4020免维护铅酸电池（高级型）1008060锂电池120铅酸电池(一般)锂电池放电条件Normalized Capacity (%)图 3：锂电和铅酸电池不同倍率放电曲线占地面积小能量密度高，占地面积

9、小锂电池相对铅酸电池重量减少约 70%, 体积减少约 70%，更节省空间，更适用于空间受限的应用场景。重量能量密度（Wh/kg）比: 3:1锂电池：100150；铅酸电池：3050体积能量密度（Wh/L）比: 3:188%68%63%1,4002,925300Weight(kg)Volume（ ）Capacity(Ah)800所需容量减少9,116空间利用率高11,210建筑承重减少锂电池：200300；铅酸电池：6090电池系统规格200KW，标称电压380V，Back up time 30分电池铅酸电池锂离子电池电池构成图 4：锂电和铅酸电池相同备电时间占地和承重对比图二、为什么要用磷酸铁

10、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。磷酸铁锂结构更稳定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Heat Generation Ra

11、te of Positive-Solvent Reaction/W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）Temperature/450400350300250200150100500Temperature/2030025020015050401060LiCoO2 Li1.1(Ni1/3Co1/3Mn1/3)0.9O2 LiMn2O4 LiFePO4 LiNi0.8Co0.15AI0.05O280图 5：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 bat

12、teries with various cathode materials: A numerical study.International Journal of Heat and Mass Transfer. 103 (2016) 10081016磷酸铁锂在过充、过放情况下不释放氧元素无可燃物及氧元素放出、结构稳定磷酸铁锂结构为橄榄状三维结构，更稳定，且热失控不释放氧元素产热缓慢，无起火爆炸三元锂在过充、过放情况下释放氧元素结构崩塌，释放氧元素三元锂结构为层状二维结构，易变形，热失控产生氧元素(1)Li/O loss (2)merge of TM laers急剧温升，起火爆炸来源：Soroo

13、sh Shari-Asl, et al., Oxygen Release Degradation in Li-Ion Battery Cathode Materials: Mechanisms andMitigating Approaches. Adv. Energy Mater. 2019, 1900551测试验证磷酸铁锂更稳定测试验证结论：磷酸铁锂比三元锂更可靠磷酸铁锂 针刺不起火三 元 锂 针刺起火常规测试方法：针刺测试验证电芯在内部短路情况下的稳定性将充满电的单体蓄电池固定用直径 8mm 的耐高温钢针以 25mm/S 的速度从垂直电芯极板方向贯穿电芯几何中心，钢针留在电芯中，观察 1h

14、测试结论：磷酸铁锂在针刺（内部短路）后，电芯内部反应热量小，电芯表面最高温度仅 80，电芯不起火，不漏液，电芯壳体完整三元锂在针刺（内部短路）后，电芯内部剧烈反应，短时产生大量热及氧气，1 秒内燃烧，4 秒内热失控 , 表面最高温度达 458，壳体融化表 1：磷酸铁锂 (LFP) VS 三元锂(NCM) 安全测试对比表（针刺测试）材料成分最高温度针刺测试结果三元锂Li(NiCoMn)1/3O24581 秒内燃烧，4 秒内热失控 , 壳体融化磷酸铁锂LiFePO4458不漏液，壳体完整，不起火80，不起火72，不起火46，不起火磷酸铁锂411起火，外壳融化458，起火，外壳融化86，起火三元锂30s20s10s图 6：磷酸铁锂 (LFP) VS 三元锂(NCM) 安全测试对比图（针刺测试）来源：K.Zaghib, et al., Enhanced thermal safety and high power performance of carbon-coated LiFePO4 olivine cathode for Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 219, 2012: 3