1 数据中心磷酸铁锂电池应用技术背景
　　
　　(1)优势背景
　　
　　①行业蓬勃发展,新技术接受度高
　　
　　数据中心在国内经过长达20年的厚积薄发后,在2019年成为新基建的基础,2020年成为新基建之一,成为时代和行业风口,获得超量关注与投入。这往往意味着会有大量优秀应用技术跨界快速进入该行业,优秀人才、资源也在跑步进入该行业,这都将促进原创与创新新技术的蓬勃发展。图1给出了近20年中国IDC市场的增速。
　　
　　②铅酸电池寿命较短,总TCO高
　　
　　在动力电池行业,关于铅酸电池的寿命常有好半年,坏半年,缝缝补补又半年的说法。虽然在数据中心行业电池一直处在浮充状态,较少进行充放电,但是其放电功率/电流较大,其寿命也远低于其他机电设备。在空调、UPS等一个寿命周期内,铅酸电池往往已经经历了一个半甚至是两到三个的采购-使用的循环。
　　
　　③磷酸铁锂边际成本下降
　　
　　随着动力及储能领域大规模应用,成本急剧下降,随着高密度动力电池领域补贴退坡,甚至清零,磷酸铁锂电池由于不含贵金属,随着应用规模的扩大和生产工艺的成熟以及改进,优秀供应商的供应成本在2020年已经可以做到0.65元/wh以下。并且随着应用规模扩大，边际成本的下降，单位wh成本仍有下降的空间。
　　
　　(2)劣势背景
　　
　　①非主流产品
　　
　　磷酸铁锂电池目前在数据中心仍属于新产品尝试应用阶段,还远未成为主流产品,对于敏感客户及终端接受度仍有待进一步提升。
　　
　　产品的成本受到集成及控制系统研发分摊及规模采购的限制,仍然难以迅速降低。产品的销售渠道及供应链渠道仍需要时间和足够的让利建立和完善。
　　
　　②安全性风险始终如阿克琉斯之踵真假难辨
　　
　　随着多起动力电池领域的起火及爆炸事故,部分安全领域人士谈锂色变。数据中心人士往往也祭出三板斧:如何保证任何情况不爆炸;如何保证不起火;起火如何灭火及减少损失，并对集中式UPS配置锂电池的尝试与探索。
　　
　　2 数据中心LiFePO4电池应用技术简介
　　
　　LiFePO4电池的结构示意图如图2所示。
　　
　　磷酸铁锂的充放电过程如下:LiFePO4电池在充电时,正极中释放的电子通过铝箔从正极向充电电源移动,产生的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移。负极的石墨获得锂离子Li+,充电电源通过电池负极经过铜箔迁移来的电子生成LixC;
　　
　　LiFePO4电池在放电过程中,负极中产生的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移,释放的电子通过铜箔经由电池负极向负载移动。正极获得负载端通过电池正极及铝箔移动而来的电子及通过隔膜移动而来的锂离子Li+生成LiFePO4。
　　
　　由于充放电过程中,只有锂离子Li+在电池正负极内部来回移动,大家多数时候也就简称这种电池为锂离子电池。当然锂离子电池还有三元锂,钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等几种常见形式。在数据中心相关领域应用的锂离子电池主要是三元锂NCA,磷酸铁锂两种。其中5G站点,通讯基站等几乎在大面积应用磷酸铁锂,国内的数据中心考虑到安全性,给模块化UPS,集中式UPS等进行的尝试性应用也均为磷酸铁锂,而国外的数据中心尤其是以谷歌等为代表的的BBU等颗粒度更小的后备电池则以三元锂为主。
　　
　　(1)性能对比
　　
　　数据中心场景下,由于放电倍率较高,与电动车行业相近;但是数据中心场景内无显著低温和高温工况,也不需要极小体积,因此电池特性和优缺点与动力电池领域形成的共识也会有所区别。几种常用电池的性能对比见表1。
　　
　　(2)LiFePO4电池的优点
　　
　　①相比三元锂更安全,相比铅酸更环保。(由于三元锂在动力电池市场曾经出现的多起爆炸,自燃等安全隐患,受限于国内的生产工艺,国内数据中心考虑到安全特点,本次关于三元锂不再进行累述,后续对比均基于铅酸电池与磷酸铁锂电池);
　　
　　②体积比能量相比铅酸(后略)大了一倍,也就是相同能量其体积/占地面积可以缩小一半。(这对于IDC等追求高坪效比和追求降本增产的团队均是一大利好);
　　
　　③鉴于其质量比能量约大了两倍,在同样能量密度下,其质量可以缩小至1/3,也即在占地面积缩小一半的前提下,其承重相当于缩小1/3,仅为原先承重的2/3。这将大大减少承重的建设造价和大大提升平面布局的灵活度。(这样整个数据中心可以以一个更加均衡的承重需求进行设计,而平面布局上完全不用过于考虑承重需求和承重限制,能更加灵活的设计和建设更低成本的数据中心,尤其是对于临时扩容和改造项目,将会大大提升技术可行性和定制化技改便利性);
　　
　　④寿命延长两倍至三倍,这将大幅降低整个运营期间的电池相关的总体TCO至原值的1/2,乃至1/3。从而产生更多的利润,以用来提升运营水平、福利和生产效率等;
　　
　　⑤大电流放电容量无衰减,同等备电时间需求下,电池配置容量可减少一半以上。这相当于将质量比能量的有利效应加倍;
　　
　　⑥电池在15～45℃范围内容量基本无变化,电池配置的温度安全系数可进一步下降,可继续减少电池配置容量,同时可显著降低电池室空调标准、配置、投入与能耗;
　　
　　⑦电池无贵重金属,随着应用规模扩大,成本继续大幅下降,且环保无污染,可以为企业更便利地承担更多社会责任,提升品牌价值与社会形象。
　　
　　(3)磷酸铁锂可能的缺点
　　
　　①低温性能差。但其低温性能差仅是相对其他锂电池,相比铅酸其低温性能仍然要更加优秀;
　　
　　②存在爆炸隐患,这是常规锂离子电池的隐患。在数据中心领域由于工作环境非常有利,温控有效。常规导致锂离子电池失控的震动、挤压、跌落、穿刺、膨胀等机械刺激几乎不存在。室外夏季高温、太阳辐射、其他设备起火等热刺激也均因为数据中心常年配备空调,无外墙外窗,而几乎拦截干净。唯一的过充、过放等使用问题与漏液、过流、老化等电池质量和维护问题在一个专业的运维团队7×24h的看护下,也可以说是已经降低到一个极低的程度;
　　
　　③一旦电池起火将难以扑灭。其实这是所有电池这种能量源需要应对的难题，铅酸电池一样也只能争取断开未燃烧电池，等其能量耗尽，自然熄灭。
　　
　　3 数据中心LiFePO4电池技术应用潜力分析
　　
　　虽然在数据中心领域LiFePO4电池还是个外来的小兄弟,估计市场渗透率不到1%。根据上亿度研究室获得的资料,2020年预计ups电池需求量在15-18GWh,虽然看起来大,但是仅全球十大锂电动力电池厂家在2019年锂电出货量就高达90GWh,而目前LiFePO4电池后来居上,基本有平分江山的打算。其体量带来的规模与供应链及生态导致的成本优势显然该得到充分的重视。
　　
　　尤其是随着数据中心踏上新基建的征程,其能效考核与管控的压力虽然得到暂时缓解,但是出于可持续发展与行业的科学发展,降本增产增效,显然已经是一条必行之路。而且在这条路上走得慢一点很可能都将被这个说淘汰都不会和你打声招呼的急驶而过的时代车轮碾压。
　　
　　(1)低TCO-正向
　　
　　①一次投资-大幅降低
　　
　　目前电池同等容量,其成本一次投资基本相当。但考虑到LiFePO4电池大容量放电能力,在以0.25h率放电电流放电时,容量系数在1～1.1之间,也即I0.25,=4C10,单位为A。
　　
　　根据GB/T19638.1-2014,铅酸电池的I0.25,=1.7C10,单位为A。也即在同样的备电容下,LiFePO4电池的配置容量仅需要达到铅酸配置0.425倍。(高功率电池成本同样会有所提高,同样LiFePO4电池也有高功率电池)考虑到其温度性能更优越,出于温度考虑的安全容量系数可进一步下降,其一次成本降低潜力在60%以上,考虑到动力电池领域带来的供应链成本边际效应,其成本潜力可继续下降到原先铅酸电池的10%～20%。

   鉴于其温度性能更加宽泛与优越,其温控空调容量及投入可大幅下降,甚至可接受通风散热。其冷却系统一次投入可降低60%～80%以上。(从精密空调降低到机械通风散热甚至是自然散热)

    鉴于其占地面积缩减3/4(同容量配置降一半,同备电时间再降一半),其土地及建筑相关的一次投入可降低75%。(改面积也可用作更高效的生产产出)

   鉴于其重量缩减5/6(同容量配置减少2/3,同备电时间再降一半),其结构与承重一次投入可降低80%以上。
　　
　　综上电池相关土建、结构、冷却、安装、设备等一次总投入节约潜力在60%～90%。
　　
　　②设备维护-大幅降低
　　
　　鉴于其寿命特点,在10～15年的一个运营期中,相比铅酸电池减少一到两次设备采购。电池设备的再采购投资下降到原先的10%以下。设备维护的硬件采购投入节约潜力在80%～90%以上。
　　
　　③TCO-小结
　　
　　相比铅酸电池,随着LiFePO4电池在数据中心的试点成功及未来边际成本的进一步下降,其运营期总体投入TCO节约潜力在70%～95%以上。
　　
　　(2)安全隐患-负向
　　
　　①爆炸风险,管控正常时,极低可接受
　　
　　·与三元锂、锰酸锂、钴酸锂等其他热失控会产生助燃剂氧气的锂离子电池不同,LiFePO4电池的结构非常稳定(微观分子结构为橄榄状三维立体结构,稳定性远超二维片层状的钴酸锂与三元锂),即使热失控也仅是产生磷酸铁;
　　
　　·LiFePO4电池的热失控温度高达480℃,远超其他锂电池,目前也从未收到反馈有磷酸铁锂电池出现爆炸事故;
　　
　　·LiFePO4电池热稳定性高,高温下自身反应产热慢且少,其在220℃以前产热功率为0W,即使在280℃的产热峰值也仅1.5w左右,且持续时间极短,远低于钴酸锂的6.5W,锰酸锂的45W,进口三元锂NCA的50W,国产三元锂NCM的80W;
　　
　　·采用与铅酸相同的硬壳结构,抗燃性、防爆性均要好于其他锂离子电池;
　　
　　·数据中心属于高安全高可靠型场所,其各种热失控因子都在严密受控范围内,如果管理严重失效,有没有磷酸铁锂电池都一样会出现火灾或者其他重大安全事故。
　　
　　②起火风险,应对科学时,极低可接受
　　
　　·可采用安全电芯:在LiFePO4电池电解液中添加一定比例的氧化还原电对限压添加剂,通过化学均衡法,降低电池一致性难度,防止过充;采用不燃隔膜、向电解液添加阻燃剂提高电解液燃点、降低电解液的可燃度,大幅降低电池燃烧风险;采用一体化硬壳工艺,激光焊接、设计防爆阀等优秀设计,进一步提升电芯安全性;
　　
　　·可采用安全模块:为防爆阀设计专用气流遏制组件,防止可燃气体聚集极柱附近,发生燃烧隐患;电池组采用焊接结构,在外部发生短路时及火情时,可s级断开连接,隔离起火点;
　　
　　·可采用金属密闭电池箱,有效隔离氧气,避免燃烧;
　　
　　·可采用完善BMS进行电池组管理，通过主动均衡及电池内的化学被动均衡，保证电池组的一致性;
　　
　　·可采用电气连接无裸露,均采用PVC绝缘设计,避免电气短路,降低起火风险;
　　
　　·可采用一体化充电控制,防止过充过放,确保安全无隐患;
　　
　　·可采用加强测试,包括但不限于针刺、短路、跌落、过充、过放等多项滥用测试,不冒烟,不起火、不爆炸的方为合格可用电池。
　　
　　(3)生态简单-负向
　　
　　①受限于动力电池中其他非磷酸铁锂锂电池的安全隐患及事故,目前LiFePO4电池在数据中心的应用仍低于5%,不属于主流应用,其市场宣传、渠道推广、供应商对数据中心场景的理解尚存较大劣势;
　　
　　②受限于对数据中心客户关注点的理解,往往事倍功半;
　　
　　③受限于对磷酸铁锂电池设计、应用、维护的理解,数据中心运营人员往往还存在过多偏见与误解;
　　
　　④受限于电池的投资及运营支出在数据中心内均处于微弱地位，在运营团队内受到关注还极少;
　　
　　⑤受限于新基建的提升,投资的快速进入行业,泛起大量的水花,本就不是管理重点的电池,习惯成自然,就基本处于灯下黑的状态了。
　　
　　4 结束语
　　
　　①LiFePO4在数据中心场景中,具备显著的成本潜力优势。
　　
　　②LiFePO4在数据中心场景中,安全隐患和担心大都来自于偏见和不理解。且一个个试点的成功将可能像星星之火一样迅速燎原整个中原大地。
　　
　　③预计在未来十年之内,LiFePO4电池将像在动力电池领域一样,很快夺取半壁江山,并发出问鼎之战。
　　
　　作者简介
　　
　　付宝福,微信自媒体新一代绿色数据中心首席研究员,专注于新一代绿色数据中心立项、规划、设计、建设、运行与维护、机柜托管售前与售后等全寿命周期运营优化,致力于数据中心基础设施领域的降本增效,立志推进数据中心行业的高效、永续与可持续发展。
　　
　　编辑：Harris