礦用動力電池的現(xiàn)狀分析與發(fā)展趨勢

【摘要】煤礦井下電池形式多種多樣，本文對目前煤礦井下礦用電池現(xiàn)狀進行了闡述;隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，動力電池逐漸成為新興蓄電池的研究方向，文章通過比較分析幾種常見的動力電池，對井下礦用電池的發(fā)展趨勢提出了展望。

【關(guān)鍵詞】礦用電池;動力電池;發(fā)展趨勢

Abstract：Coal mine battery form should be varied，current status of coal mine underground is described in the article;With the rapid development of science and technology，power battery is becoming the research direction of emerging battery.By compared with several common batteries，paper suggests a prospect of underground mine development trend of battery.

Keywords：Coal Battery;Power Battery;Development Trend

引言

礦用電池是適用于煤礦井下特殊環(huán)境，滿足一定安全技術(shù)要求的特殊電池。礦用電池、專用保護電路、其他輔助電路和外殼等部件構(gòu)成礦用電源。隨著電化學(xué)理論、電池材料、電池管理保護等技術(shù)的不斷發(fā)展，以及煤礦井下緊急避險設(shè)施、電池驅(qū)動車輛等新裝備的出現(xiàn)，大容量電池供電已成為一個新的趨勢。本文分析了目前礦用井下電池的現(xiàn)狀，并對井下電池的發(fā)展提出了展望。

1.礦用井下電池分類

目前，煤礦井下使用的電池主要有原電池、蓄電池、貯備電池三類。不同類型的電池在性能指標(biāo)、保護方式、管理要求等方面都有區(qū)別。

1.1 原電池

原電池，也稱為一次電池，是一種放電后不能用充電方法使其復(fù)原的電池。一般包括水溶液電解質(zhì)原電池和鋰原電池兩大類。原電池一般由正極（相對不活潑的金屬或非金屬導(dǎo)體）、負極（活潑性較強金屬）、隔膜、電解液和外殼等幾部分組成。原電池是一種利用兩個電極之間金屬性的不同，產(chǎn)生電勢差，從而使電子的流動、產(chǎn)生電流的化學(xué)電池。負極在放電時流出電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，正極在放電時流入電子，發(fā)生還原反應(yīng)。井下常見的原電池類型見表1。

表1 井下設(shè)備常用原電池類型

代表字母 正極 電解質(zhì) 負極 標(biāo)稱電壓（V） 最高開路電壓（V）

— 二氧化錳 氯化銨、氯化鋅 鋅 1.5 1.73

A 氧 氯化銨、氯化鋅 鋅 1.4 1.55

C 二氧化錳 有機電解質(zhì) 鋰 3 3.7

E 亞硫酰氯 無水無機化合物 鋰 3.6 3.9

L 二氧化錳 堿金屬氫氧化物 鋅 1.5 1.65

P 氧 堿金屬氫氧化物 鋅 1.4 1.68

1.2 蓄電池

蓄電池，也稱為“二次電池”，是一種放電后可以用充電方式使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能存儲為化學(xué)能，需要放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電池。目前礦用設(shè)備中常見的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池和鋰電池蓄電池四大類。蓄電池的基本原理是，充電時，在外界電流的作用下，正極不斷失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng);負極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。放電時，在蓄電池的電位差作用下，負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，負極上的電子經(jīng)負載進入正極形成電流。表2說明了不同類型蓄電池性能對比[1]，

表2 不同類型的蓄電池性能對比

電池類型 工作電壓（V） 使用電壓范圍（V） 體積比能（Wh/L） 質(zhì)量比能（Wh/g） 循環(huán)次數(shù)（次）

鋰離子蓄電池 3.6 2.5～4.2 246 100 500～10000

鉛酸蓄電池 2.0 1.2～1.4 80 30 200～500

鎳鎘蓄電池 1.2 1.0～1.4 155 60 500

鎳氫蓄電池 1.2 1.0～1.4 190 70 500

1.3 貯備電池

貯備電池，也稱為“激活電池”，是一種貯備期間，正負極板不與電解液直接接觸，使用時注入電解液或電解質(zhì)熔化，從而使電池處于待放電而具有活性的電池。貯備電池屬于一種應(yīng)急的備用電源，日常無需維護，可長達存放超過3年。

1.4 其他電池

礦用井下電池除上述常見的幾種電池外，還有超級電容和鈉鹽電池兩種。超級電容器是介于普通電容器和電池之間的電化學(xué)儲能器件，其組成結(jié)構(gòu)與電池非常相似，目前僅認可正極材料為鎳鎘材料，電解液為氫氧化鉀的水溶液的無機混合型超級電容器。鈉鹽電池屬于一種高溫電池，使用時若干單體電池構(gòu)成一個電池模塊，每個電池模塊配備一個加熱裝置和一個電池管理系統(tǒng)。鈉鹽電池在煤礦井下應(yīng)用的安全性研究還在進行中。

2.礦用井下電池發(fā)展展望

隨著井下輔助運輸技術(shù)的發(fā)展，大量的無軌膠輪車、單軌吊、機車等輔助運輸車輛應(yīng)運而生。傳統(tǒng)以柴油機作為動力源的車輛，在其運輸過程中排放大量的有害氣體，污染井下環(huán)境，并且這種傳統(tǒng)模式帶來的能源消耗也是巨大的[2]。以電池作為動力源的電動輔助車輛成為目前各大高校、科研院所炙手可熱的研究方向，從而帶動了煤礦井下電池朝著高功率密度、體積小、循環(huán)壽命長的動力電池發(fā)展[3]。

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸電池早年在煤礦井下電機車應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)成熟，價格便宜，但其電池能量密度低，壽命短，深度循環(huán)壽命只有300次，需要經(jīng)常維護。鉛酸電池在充電時，電解硫酸鉛會析出氫離子，造成潛在的安全隱患。國家安全標(biāo)志受理中心（下簡稱安標(biāo)中心）已經(jīng)頒布相關(guān)規(guī)定，鉛酸電池（包括鉛晶電池）嚴(yán)禁使用在隔爆腔內(nèi)，所以鉛酸電池在井下的應(yīng)用受到嚴(yán)重限制，逐步被其他蓄電池所替代。

2.2 鎳鎘蓄電池

在民用領(lǐng)域，鎳鎘蓄電池的應(yīng)用僅次于鉛酸蓄電池，廣泛地應(yīng)用于通訊工具、電動工具等。但是由于鎘的污染，歐盟各國已禁止用于動力電池。目前鎳鎘蓄電池主要與鎳氫電池、鋰電池爭奪市場，但是鎘的污染問題嚴(yán)重限制了鎳鎘蓄電池的發(fā)展。

2.3 鎳氫蓄電池

鎳氫蓄電池與相同體積的鎳鎘蓄電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且沒有記憶效應(yīng)。但是在對鎳氫電池進行充電時，如果最佳安全充電截止電壓選擇不正確的話，很容易產(chǎn)生氧氣，給煤礦安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。安標(biāo)中心對于井下鎳氫蓄電池的使用非常嚴(yán)格，規(guī)定礦用鎳氫蓄電池單體容量不應(yīng)超過20Ah，對于使用礦用鎳氫蓄電池超出單體容量大于20Ah的產(chǎn)品，暫不受理其安全標(biāo)志申辦申請[4]。

2.4 鋰離子電池

鋰離子電池與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，其特性和優(yōu)點都很突出：

（1）壽命長：相對于深度循環(huán)壽命在300左右，最高500次以內(nèi)的鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池在室溫下1C充放電深度循環(huán)可達2000次，容量保持率80%以上，是鉛酸電池的5倍，鎳氫電池的4倍。

（2）能量大、密度高、體積小：相同體積的鋰離子電池能量是鎳氫電池的1.3倍，鉛酸電池的3倍。

（3）安全性高：磷酸根化學(xué)鍵的結(jié)合力比傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵強，所以結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并且不易釋放氧氣。磷酸鐵鋰電池在高溫下的穩(wěn)定性可達40℃以上，保證了電池內(nèi)在的高安全性，不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒[5]。

（4）環(huán)保性優(yōu)越。磷酸鐵鋰電池不僅環(huán)保，而且制作上不需要加入稀有金屬。磷酸鐵鋰不含任何（鋰之外）重金屬或者稀有金屬，無毒（SGS認證通過），無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為環(huán)保電池。

（5）充、放電優(yōu)勢強。磷酸鐵鋰電池充電速度快，自放電少，無記憶效應(yīng)。磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，2C充電30分鐘內(nèi)即可使電池充滿95%，起動電流可達2C，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。

2.5 燃料電池

燃料電池與常規(guī)化學(xué)能源不同，更類似于汽油或柴油發(fā)動機。它的燃料（主要是氫氣）和氧化劑（純氧氣或空氣）不是儲存在電池內(nèi)，而是存儲在電池外的儲罐中。它的最大特點就是反應(yīng)過程中不涉及燃燒，因此其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡洛循環(huán)”的限制，其能量轉(zhuǎn)換效率可高達80%，實際使用效率則是普通內(nèi)燃機的2～3倍，十分適用于電動汽車上[6]。但是由于其燃料含有大量的氧化劑，目前煤礦井下尚未出現(xiàn)以燃料電池作為電源的產(chǎn)品或裝備。

3.結(jié)語

煤礦井下電池形式多樣，但受其煤礦井下環(huán)境存在易燃易爆氣體的特殊性限制，電池在實際使用過程中，其容量、結(jié)構(gòu)及其管理需要特別注意。動力電池成為一種新興蓄電池發(fā)展趨勢，通過本文分析，鋰離子電池，尤其以磷酸鐵鋰蓄電池為主，具有高能量密度、體積小、循環(huán)壽命長、安全可靠性高等優(yōu)點，目前成為鉛酸電池傳統(tǒng)動力電池最好的替代產(chǎn)品，隨著電池工藝及其防爆技術(shù)的發(fā)展，更多清潔能源型電池將運用到煤礦井下。

參考文獻

[1]戴永年，楊斌，姚耀春等.鋰離子電池的發(fā)展?fàn)顩r[J].電池，2003，35（3）.

[2]王少龍，侯明，王瑞山.動力電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].云南冶金，2010，2：75-80.

[3]張傳偉，郭衛(wèi).煤礦井下無軌膠輪電動車技術(shù)發(fā)展[J].煤礦機械，2012，6：1-3.

[4]關(guān)于礦用產(chǎn)品使用的鎳氫蓄電池安全標(biāo)志管理意見[Z].安標(biāo)中心，2013.

[5]陳世全.先進電動汽車技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[6]王震坡，孫逢春.電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

作者簡介：范領(lǐng)（1988—），女，河南沈丘人，助理工程師，從事礦山自動化方面的工作。