鋰電池在地鐵改造工程中的應(yīng)用分析

張 帆

(北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

通信系統(tǒng)設(shè)備的電源供給十分重要，不但要求外供交流電可靠，而且要求通信電源供給系統(tǒng)自身也必須穩(wěn)定可靠。當(dāng)外部供電出現(xiàn)問題無法正常工作時(shí)，通信電源能夠自動(dòng)啟用后備電源保證通信系統(tǒng)的正常工作。

目前主流鉛酸蓄電池設(shè)備體積及重量較大，城市軌道交通既有線機(jī)房環(huán)境普遍差，機(jī)房面積小，環(huán)境溫度高，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備老化，蓄電池工作壽命受到影響，導(dǎo)致設(shè)備故障率增高，存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。鋰電池具有體積小巧、重量輕的明顯優(yōu)勢，耐高溫能力較為突出，充放電循環(huán)性能優(yōu)異，充電快，更為環(huán)保。本文將分析不同種類鋰電池的特性，并對比主流鉛酸蓄電池，結(jié)合地鐵工程特性提出鋰電池在地鐵改造工程中的應(yīng)用建議。

1 鋰電池相關(guān)技術(shù)研究

1.1 鋰電池概述

鋰電池是指電化學(xué)體系中含有鋰的電池，可分為鋰金屬電池和鋰離子電池兩類。

1）鋰金屬電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。為一次性使用，不可充電。

2）鋰離子電池通常有液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩種。

液態(tài)鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，一般使用鋰合金金屬氧化物為正極、石墨為負(fù)極、使用非水電解質(zhì)的電池。常用于動(dòng)力、儲(chǔ)能等大型設(shè)備，也是本次研究的對象。

聚合物鋰離子電池是一種用膠態(tài)或固態(tài)聚合物取代液態(tài)有機(jī)溶劑的二次鋰離子電池，具有較好的安全性，多用于手機(jī)、平板電腦等小型化設(shè)備，不適合軌道交通場景下使用。

1.2 液態(tài)鋰離子電池技術(shù)對比

主流液態(tài)鋰離子電池使用的正極材料主要有以下5種：分別是鈷酸鋰、三元鋰（鎳鈷錳）、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鈦酸鋰。不同的材料及技術(shù)導(dǎo)致其性能、能量密度、安全環(huán)保性以及成本有很大差異，如表1所示。

表1 不同種類鋰離子電池對比Tab.1 Comparison of different types of lithium-ion batteries

經(jīng)過分析比較可以得知，鈷酸鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池并不適合應(yīng)用在通信領(lǐng)域內(nèi)，磷酸鐵鋰電池目前技術(shù)相對成熟，在能量密度、適用溫度、安全性、環(huán)保性等方面的性能較好，使用壽命也能達(dá)到軌道交通的使用需求。中華人民共和國工業(yè)和信息化部已于2011年12月發(fā)布了通信用磷酸鐵鋰電池組的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前電信、通信行業(yè)也都在進(jìn)行磷酸鐵鋰電池的研究，并且已經(jīng)有大規(guī)模的應(yīng)用。而鈦酸鋰電池雖然目前發(fā)展較快，且具備了高安全性、高循環(huán)次數(shù)、使用范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，是目前鋰電池技術(shù)的一種發(fā)展方向，但目前其支持廠家較少，技術(shù)及工藝發(fā)展不夠成熟，能量密度較低，未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用很少。因此在目前主流的鋰電池技術(shù)中，磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于地鐵通信機(jī)房的條件更加成熟，因此本次選定主要研究磷酸鐵鋰電池在城市軌道交通既有線電源系統(tǒng)改造中應(yīng)用的可行性。

1.3 磷酸鐵鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀

2009年電信運(yùn)營商已經(jīng)開始嘗試使用磷酸鐵鋰電池。從2010年起電信行業(yè)開始正式應(yīng)用磷酸鐵鋰電池，逐漸形成規(guī)模并在全國范圍內(nèi)大批量使用。

城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)，上海地鐵已經(jīng)有多條線路采用了鋰電池作為通信系統(tǒng)的后備電源。

目前上海地鐵最早應(yīng)用的磷酸鐵鋰電池組已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)營超過5年。據(jù)運(yùn)營單位人員反饋，磷酸鐵鋰電池組運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，適應(yīng)地鐵內(nèi)的機(jī)房高溫環(huán)境，電池組僅需半年左右進(jìn)行一次深度充放電核容。電池單體出現(xiàn)故障，可及時(shí)報(bào)警并替換單體電池，維護(hù)較為簡單。經(jīng)過5年左右的使用，容量衰減較低，仍可滿足2 h后備時(shí)間的要求，使用效果較好。

2 鉛酸類蓄電池與磷酸鐵鋰電池的對比分析

在目前城市軌道交通行業(yè)內(nèi)，后備電源蓄電池多采用閥控密封鉛酸蓄電池及膠體鉛酸蓄電池兩種技術(shù)。膠體鉛酸蓄電池相比閥控密封鉛酸蓄電池具有性能更穩(wěn)定，可靠性更高，使用壽命更長，對環(huán)境溫度的適應(yīng)能力強(qiáng)，循環(huán)放電、深度放電及大電流放電能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其本質(zhì)仍屬于鉛酸蓄電池的一種，仍存在鉛酸電池固有的一些問題。

考慮到城市軌道交通的具體需求，從電池性能、放電效率、環(huán)境影響3個(gè)方面對閥控式鉛酸電池、膠體鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池進(jìn)行對比。

2.1 電池性能對比

如表2所示，磷酸鐵鋰電池主要有以下特點(diǎn)。

表2 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池性能對比Tab.2 Performance comparison of lithium iron phosphate battery and lead-acid battery

1）能量密度高、重量輕、體積小

磷酸鐵鋰電池重量能量比是鉛酸電池的2～3倍，體積能量比是鉛酸電池的3～5倍。綜合考慮，在釋放同等能量的情況下，磷酸鐵鋰電池的體積及重量均不足鉛酸電池的1/2。

2） 電池循環(huán)次數(shù)高，使用壽命長

由于膠體電解質(zhì)的獨(dú)有特性，具有很好的物理及化學(xué)保護(hù)作用，因此膠體鉛酸電池使用壽命大約是閥控式鉛酸電池壽命的2倍。

而磷酸鐵鋰電池的導(dǎo)電涂層是由分散好的納米導(dǎo)電石墨包覆顆粒等所組成，可提供極佳的靜態(tài)導(dǎo)電性能，以及遮蓋防護(hù)性能，使得磷酸鐵鋰電池的壽命是閥控式鉛酸電池的4倍以上、膠體鉛酸電池的2倍以上。

3） 高溫特性好、低溫性能較差

閥控式和膠體鉛酸電池在溫度大于25℃后，隨溫度升高，其壽命就會(huì)不斷降低。而磷酸鐵鋰電池工作溫度范圍可在-10～+75℃，同時(shí)可以承受電池放電結(jié)束時(shí)160℃高溫。

但磷酸鐵鋰電池低溫性能較差，在室溫低于-10℃后將嚴(yán)重影響其充放電能力，因此環(huán)境溫度可能低于0℃的情況下，并不推薦使用磷酸鐵鋰電池?？紤]到城市軌道交通工程均建設(shè)獨(dú)立機(jī)房并建設(shè)空調(diào)系統(tǒng)，因此幾乎不存在環(huán)境溫度低于0℃的情況。

因此，在地鐵既有線通信機(jī)房空間小、溫度高等實(shí)際情況下，磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢十分明顯。

2.2 放電效率對比

磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池放電效率對比如表3所示。由于鉛酸蓄電池的特性，其2 h放電率僅能放出額定容量65%～70%的電量，因此在實(shí)際工程中，為滿足地鐵規(guī)范2 h時(shí)間的要求，不得不配置比實(shí)際所需容量更高的鉛酸蓄電池。

表3 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池放電效率對比Tab.3 Comparison of discharge efficiency between lithium iron phosphate battery and lead-acid battery

磷酸鐵鋰電池的2 h放電率可達(dá)95%,相較于鉛酸電池高30%，其在1C～3C的倍率放電情況下，放電容量沒有明顯的下降，體現(xiàn)高放電率和高功率放電的能力。因此針對設(shè)計(jì)規(guī)范的要求可知同等條件下磷酸鐵鋰電池配置的額定容量可以更小，電池成本和機(jī)房空間均可以得到相應(yīng)節(jié)省。

因此，綜合地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范對后備電源要求，磷酸鐵鋰電池放電性能優(yōu)勢明顯。

2.3 環(huán)境影響對比

2.3.1 環(huán)境污染

幾種電池環(huán)境影響對比如表4所示，由于閥控式鉛酸電池主要的材料占比最大的是鉛，在制造和回收過程中，都可能會(huì)對環(huán)境造成污染。并且在極板化成工藝中，化成后的極板需經(jīng)洗滌，洗滌產(chǎn)生的廢水排放，又會(huì)造成水質(zhì)污染。

表4 環(huán)境影響對比Tab.4 Environmental impact comparison

膠體鉛酸電池相比于閥控式鉛酸電池利于環(huán)保。在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生酸霧氣體，不存在電解質(zhì)外溢的風(fēng)險(xiǎn)。但與閥控式鉛酸電池相同，因其含有鉛元素，在制造和回收過程中，都可能會(huì)對環(huán)境造成污染。

磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬，無毒，無論在生產(chǎn)及使用中均無污染，為綠色環(huán)保電池。并且磷酸鐵鋰電池材料回收操作較鉛酸電池更為簡單，回收比例及產(chǎn)物純度也高。

2.3.2 節(jié)能

相比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池在節(jié)能方面的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

由于鉛酸蓄電池的化學(xué)特性，其2 h僅能放出額定容量65%～70%的電量，而磷酸鐵鋰電池的2 h放電率可達(dá)95%，相較于鉛酸電池高出30%。因此在相同的用電環(huán)境中，滿足2 h后備時(shí)間，使用磷酸鐵鋰電池組僅需配置鉛酸蓄電池組約70%的容量，節(jié)省完全充電所需的用電量，磷酸鐵鋰電池體積也僅有鉛酸蓄電池的一半左右，同時(shí)節(jié)省了機(jī)房空間。

由于制作電池的原材料中含有雜質(zhì)，正極材料的溶解性和材料受熱后的不穩(wěn)定性有關(guān)，因此存在自放電現(xiàn)象，需要對電池進(jìn)行補(bǔ)電操作。鉛酸蓄電池的放電率會(huì)由于外部環(huán)境濕度的變化以及使用時(shí)長產(chǎn)生較為明顯的變化，新出廠的鉛酸蓄電池每月的自放電率在3%之內(nèi)，在使用環(huán)境不理想的情況下，經(jīng)過5年左右的使用每月的自放電率會(huì)提升至10%～15%，北京地鐵1號線民用電源系統(tǒng)因機(jī)房老舊、環(huán)境溫度高等原因，高頻開關(guān)設(shè)備電池每月自放電率甚至達(dá)到20%左右。而磷酸鐵鋰電池每月的自放電率小于5%，且經(jīng)過上海地鐵驗(yàn)證，經(jīng)過5年使用，自放電率仍可保持基本無變化，降低了補(bǔ)充充電所需的用電量。

3 總結(jié)

根據(jù)以上各項(xiàng)對比，可以得出如下結(jié)論。

性能方面：磷酸鐵鋰電池具備體積小、重量輕、充放電性能好、使用壽命長、耐高溫性能強(qiáng)等優(yōu)勢。

放電效率方面：磷酸鐵鋰電池的2 h放電率可達(dá)95%,相較于鉛酸電池高30%，其在1C～3C的倍率放電情況下，放電容量沒有明顯的下降，具備高放電率和高功率放電能力強(qiáng)的特性。

環(huán)境方面：磷酸鐵鋰電池在生產(chǎn)和回收兩個(gè)環(huán)節(jié)，對環(huán)境基本沒有危害，鋰電池是一種綠色環(huán)保能源產(chǎn)品。并可降低機(jī)房空調(diào)能耗。

因此，磷酸鐵鋰電池相較于閥控式鉛酸電池和膠體鉛酸電池，更加適合應(yīng)用在環(huán)境條件較差的地鐵老舊線路中。

4 結(jié)論

磷酸鐵鋰電池具有體積小、質(zhì)量輕、耐高溫、循環(huán)壽命長、放電深度較深、無記憶效應(yīng)、無毒、無污染等特性。綜合地鐵工程既有線機(jī)房空間小、溫度條件差、維護(hù)困難等實(shí)際情況，磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢明顯。