鈦酸鋰電池技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)電和風(fēng)風(fēng)電開發(fā)有限公司 王秋強(qiáng) 劉玉希 步 兵 高云峰 高春瑞 王逸飛

部分早期已經(jīng)安裝好的風(fēng)機(jī)會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而出現(xiàn)損壞，此時(shí)可將蓄電池直接作為備用能源，但變槳系統(tǒng)也會(huì)面臨著更高的安全風(fēng)險(xiǎn)、維護(hù)成本及工作人員工作量。與此同時(shí)，所增加的電池類故障或停電檢修電池的長(zhǎng)時(shí)間充電耗電量都是風(fēng)電場(chǎng)的額外損失。一般來說，要想解決此類問題，必定要將鉛酸蓄電池替換為超級(jí)電容，但由于其所耗費(fèi)的成本偏高，往往很難被業(yè)主所接受。

而隨著科技的進(jìn)步，新的電池產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，其中鈦酸鋰電池的優(yōu)越性能非常適合風(fēng)電行業(yè)使用。鈦酸鋰電池技術(shù)有著很大的優(yōu)勢(shì)，其技術(shù)的研究對(duì)于我國(guó)的工業(yè)發(fā)展以及居民生活質(zhì)量水平的提高有著重要的影響，科研人員要不斷加強(qiáng)這方面的研究。

1 鈦酸鋰電池技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 鈦酸鋰的發(fā)展

我國(guó)對(duì)于鈦酸鋰材料以及產(chǎn)業(yè)等層面的研究并不早，遠(yuǎn)比發(fā)達(dá)國(guó)家晚很多。國(guó)際上鈦酸鋰材料產(chǎn)業(yè)化較早的公司有美國(guó)奧鈦納米科技公司、日本石原產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社等，尤其是美國(guó)奧鈦生產(chǎn)的鈦酸鋰材料具備高倍率、安全性、長(zhǎng)壽命等特征，性能方面更是受到好評(píng)，卻因?yàn)樯a(chǎn)方法過于冗長(zhǎng)致使其生產(chǎn)成本高，尤其是在商業(yè)化推廣層面更是難上加難。石原產(chǎn)業(yè)為亞洲規(guī)模最大的鈦白粉制造商，其在日本、新加坡等地區(qū)均有生產(chǎn)的場(chǎng)所，主要源于生產(chǎn)地有著豐富的原材料資源，并能應(yīng)用濕法工藝開發(fā)出一些低成本、高倍率的鈦酸鋰產(chǎn)品，從而將所有的數(shù)據(jù)都能夠應(yīng)用好。

正是由于此類工藝所開發(fā)出來的產(chǎn)品性能類似于美國(guó)奧鈦納米科技公司所開發(fā)出來的產(chǎn)品，但比我國(guó)的產(chǎn)品性能卻更差一些。自從莊信萬豐接手了原德國(guó)南方化學(xué)公司后，用現(xiàn)成的磷酸鐵鋰等材料進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)，所制作出來的產(chǎn)品質(zhì)量較好，卻常因產(chǎn)品質(zhì)量所應(yīng)用的原材料數(shù)量不穩(wěn)定致使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。

國(guó)內(nèi)的鈦酸鋰材料量產(chǎn)家數(shù)量頗多，如四川興能新材料有限公司、珠海銀隆新能源有限公司、湖州微宏動(dòng)力有限公司等，這一類的產(chǎn)家由于受到國(guó)家政策的扶持和補(bǔ)貼致使最終的數(shù)量增多，卻并沒有多少高質(zhì)量的產(chǎn)品生產(chǎn)出來。

四川興能公司鈦酸鋰材料年產(chǎn)能在具體生產(chǎn)時(shí)能夠增加到3000t，該類生產(chǎn)工藝本身具有較強(qiáng)的適應(yīng)性及穩(wěn)定性，若未能改變生產(chǎn)線及運(yùn)行設(shè)備，未能將其依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況做好綜合調(diào)整，則很難生產(chǎn)出更加適應(yīng)于不同類別客戶需求的鈦酸鋰，致使其很難保持本身產(chǎn)品指標(biāo)的穩(wěn)定性及合理性。若想依靠上游鋰礦與鈦礦資源則需確保從原礦到最終材料內(nèi)部的有機(jī)協(xié)同生產(chǎn)，以保證鈦酸鋰產(chǎn)品的本身性能提升，從而可有效規(guī)避原材料市場(chǎng)的價(jià)格變動(dòng)所帶來的負(fù)面影響。珠海銀隆于2011年所完成美國(guó)奧鈦納米科技公司53.6%股權(quán)收購(gòu)事宜后，其已成為國(guó)內(nèi)擁有鈦酸鋰材料制備、電池生產(chǎn)、鈦酸鋰電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等功能為一體的專利核心的核心企業(yè)。

北方奧鈦納米技術(shù)有限公司鈦酸鋰材料產(chǎn)能100t，能為國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的納米級(jí)鈦酸鋰。但珠海銀隆新能源還與石原產(chǎn)業(yè)對(duì)共同開發(fā)新型鈦酸鋰材料進(jìn)行了有效規(guī)劃和綜合確定，并保證相關(guān)的原材料生產(chǎn)成本能隨產(chǎn)量的增加而不斷降低，或許在未來的時(shí)間內(nèi)將會(huì)無限接近石墨負(fù)極材料對(duì)應(yīng)的原材料成本。

湖州微宏是則為國(guó)內(nèi)鈦酸鋰電池技術(shù)和其它快充類電池生產(chǎn)制作中較出名企業(yè)之一，其用于生產(chǎn)的鈦酸鋰材料可用于直接制作鈦酸鋰電池產(chǎn)品，能在市場(chǎng)上增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)鈦酸鋰技術(shù)在電動(dòng)車及儲(chǔ)能市場(chǎng)上的長(zhǎng)期性發(fā)展起到一種良好示范性作用，從而規(guī)避所存在的問題。

深圳貝特瑞是當(dāng)前較大的鋰電碳負(fù)極供應(yīng)商，有較強(qiáng)的企業(yè)發(fā)展研發(fā)團(tuán)隊(duì)，甚至還屬于鈦酸鋰行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高效確定者，在鈦酸鋰市場(chǎng)銷售市場(chǎng)中能快速獲取數(shù)據(jù)信息，搶先獲取更多的市場(chǎng)信息。目前已推出碳包覆鈦酸鋰和無碳包覆鈦酸鋰等兩類產(chǎn)品，并能在鈦酸鋰電池市場(chǎng)中制定最優(yōu)的計(jì)劃，讓所有的消費(fèi)者能快速購(gòu)買到產(chǎn)品。

20世紀(jì)末期鋰離子電池得到飛速的發(fā)展，但這時(shí)的尖晶石型鈦酸鋰并沒有得到廣泛的發(fā)展，一方面政府對(duì)其采取了保密的態(tài)度，另一方面由于所制造的產(chǎn)品性能還不是非常穩(wěn)定，直到20世紀(jì)90年代后期鈦酸鋰才作為新型鋰離子電池的負(fù)極材料得到高速發(fā)展。鈦酸鋰材料在鋰離子中進(jìn)行鑲嵌或脫嵌的化學(xué)反應(yīng)時(shí)具有非常強(qiáng)的穩(wěn)定性，表明鋰離子使用鈦酸鋰作為后備處理材料時(shí)可極大地提高電池使用壽命。

鈦酸鋰還具備尖晶石結(jié)構(gòu)才具備的獨(dú)特三維離子擴(kuò)散通道，在內(nèi)部離子進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，由于通道的貫通性及多口性反應(yīng)速度可更快，具有高功率和高低溫性能等優(yōu)勢(shì)。鈦酸鋰電位比碳負(fù)極材料電位高，代表著使用鈦酸鋰作為材料時(shí)電解液與碳負(fù)極表面上會(huì)產(chǎn)生的固液層就不會(huì)再現(xiàn)，在很大程度上減少了電池內(nèi)部短路的可能性，減小了電池使用風(fēng)險(xiǎn)，提高了使用壽命。綜上所述，鈦酸鋰材料的鋰離子電池是安全性最好且使用壽命最長(zhǎng)的電池。

1.2 鈦酸鋰電池在新能源領(lǐng)域方面應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)可通過有效控制葉片的角度用于直接管控風(fēng)輪的總體轉(zhuǎn)速，從而合理控制風(fēng)機(jī)的輸出效率，并能夠應(yīng)用空氣動(dòng)力的制動(dòng)模式致使風(fēng)機(jī)安全停止。而在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，一旦風(fēng)機(jī)的風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的控制功率的變槳角度將會(huì)直接控制在0～90度之間，但此類角度也可根據(jù)風(fēng)速的變化情況進(jìn)行合理調(diào)整，從而控制葉片的實(shí)際角度，致使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速保持一種穩(wěn)定狀態(tài)。一旦風(fēng)機(jī)出現(xiàn)突發(fā)事故出現(xiàn)停機(jī)時(shí)，則要保證系統(tǒng)能夠調(diào)整在一個(gè)安全狀態(tài)。若是風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于故障狀態(tài)下，葉片則難以回歸到一種安全的位置上，否則會(huì)使得風(fēng)機(jī)出現(xiàn)意外事故，且會(huì)使得風(fēng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的倒塌情況。

電動(dòng)變槳已變成風(fēng)電變槳系統(tǒng)技術(shù)重要結(jié)構(gòu)，其在正常工作時(shí)經(jīng)常會(huì)因電網(wǎng)供電而使得風(fēng)電變槳系統(tǒng)與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的脫離，且本質(zhì)上是難以依靠著電網(wǎng)開展工作的。對(duì)此，風(fēng)電變槳系統(tǒng)往往都會(huì)配置備用電源，這樣能保證電網(wǎng)出現(xiàn)故障后依舊能將葉片放置到安全區(qū)域中。部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中較常見的變槳后備電源往往包括鉛酸電池和超級(jí)電容。

鉛酸電池電極一般是由鉛及其氧化物所組成，而電解液則是硫酸溶液的一種蓄電池，其主要是由管式正極板、負(fù)極板、電解液所共同構(gòu)成，依舊是一些特殊的氧化物構(gòu)成，具備電壓穩(wěn)定、價(jià)格便宜等特征，一般的壽命為2年左右，其具備著放電特性不好、充電時(shí)間長(zhǎng)等特征，加之蓄電池需要長(zhǎng)期的時(shí)間維護(hù)，故變槳系統(tǒng)可直接安裝在100米高的風(fēng)機(jī)上，以便能夠降低維護(hù)成本，減小意外事故的發(fā)生概率，規(guī)避潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

超級(jí)電則是通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種特殊的化學(xué)元件，其不同于原有的化學(xué)能源，本身處于電容器與電池之間，具有較強(qiáng)的特殊性能，往往是依靠著雙電層和氧化還原反應(yīng)來保證電荷儲(chǔ)存電能，一般在具體的電荷儲(chǔ)能過程中并不會(huì)出現(xiàn)任何化學(xué)反應(yīng)，主要源于這種化學(xué)儲(chǔ)能過程是一種可逆的流程。但也正因如此，一些超級(jí)電容器往往會(huì)被重復(fù)充電或放電數(shù)次。由于超級(jí)電容器具備高效率、大電流放電、寬電壓范圍等特征，若是在此類工作環(huán)境下進(jìn)行操作，那么必然會(huì)耗費(fèi)大量的資金。

鈦酸鋰電池是一種以鈦酸鋰作為負(fù)極的特殊的電池類別，其具備高安全性、高穩(wěn)定性等特征，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于新能源汽車產(chǎn)業(yè)中，有著極為重要的價(jià)值作用。單個(gè)電芯電壓一般為2.3V，充放電次數(shù)超過20000次，于風(fēng)電行業(yè)使用可實(shí)現(xiàn)后備電源免維護(hù)，其主要特點(diǎn)是，充放電能力強(qiáng)、安全性能好、循環(huán)性能好、高低溫性能好、自保持能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是能量密度低，價(jià)格較高。但于風(fēng)電行業(yè)使用，其能量密度高于鉛酸電池，足夠后備電源使用。同時(shí)其價(jià)格遠(yuǎn)低于超級(jí)電容，是實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)免維護(hù)，避免風(fēng)場(chǎng)因電池問題導(dǎo)致電量損失的性價(jià)比最高產(chǎn)品。

2 鈦酸鋰電池技術(shù)開發(fā)難點(diǎn)以及發(fā)展方向

2.1 鈦酸鋰材料、電池及電池組別制造瓶頸

既然鈦酸鋰電池技術(shù)有諸多其他鋰電無法比擬的優(yōu)越性，那為何至今為止在我國(guó)能源行業(yè)乃至世界能源領(lǐng)域應(yīng)用寥寥呢?原因有以下三個(gè)方面。

2.1.1 鈦酸鋰材料的產(chǎn)生

生產(chǎn)原理上鈦酸鋰的生產(chǎn)并不是一個(gè)復(fù)雜的過程，但是當(dāng)技術(shù)人員將鈦酸鋰作為鋰離子電池的負(fù)極材料時(shí)，面對(duì)的問題就比較多了，首先當(dāng)鈦酸鋰作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，考慮到電池的反應(yīng)速度等因素，要控制好材料的反應(yīng)面積、鈦酸鋰的密度、鈦酸鋰的粒度以及電學(xué)性等，且須得確保所控制的鈦酸鋰能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的電池生產(chǎn)，因此總體來講，鈦酸鋰電池的生產(chǎn)技術(shù)是非常嚴(yán)謹(jǐn)且困難的。

2.1.2 鈦酸鋰電池制作

在鈦酸鋰電池的生產(chǎn)制作過程中，并不能將常規(guī)的鋰離子電池生產(chǎn)線直接用于生產(chǎn)鈦酸鋰電池，由于鈦酸鋰材料在生產(chǎn)過程中對(duì)于環(huán)境的濕度要求非常高，因此常規(guī)的鋰離子電池生產(chǎn)線并不能達(dá)到這樣的濕度，技術(shù)部門要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行特殊的加工處理。技術(shù)人員可進(jìn)行制備工藝的參數(shù)調(diào)整，經(jīng)過多方測(cè)試將濕度控制在合理的范圍之內(nèi)。不僅如此，有關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備也要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)整改，其實(shí)最好的辦法就是投入資金打造一條專門的鈦酸鋰電生產(chǎn)線。

2.1.3 鈦酸鋰電池組

鈦酸鋰電池與常規(guī)的鋰離子電池有著很大的差別，當(dāng)下最常見的鈦酸鋰電池組在投入使用一定的時(shí)間之后就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部氣泡的出現(xiàn)，這是由于在長(zhǎng)期使用之后鈦酸鋰內(nèi)部元素不穩(wěn)定與空氣中的部分元素發(fā)生了物理反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體，而這些氣體由于具有特殊的性質(zhì)，因此常規(guī)的手段很難將其去除，長(zhǎng)期以往下去內(nèi)部的氣體超過了合格標(biāo)準(zhǔn)，因此出現(xiàn)了氣泡。以軟包電池為例，通常情況下，鈦酸鋰電池組的工作原理實(shí)際上是通過電池組兩端的夾板壓力施壓使電池組極片能均勻的接觸，然后產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電流，實(shí)現(xiàn)電池組的工作，而這一過程中如果有氣體的干擾，那么穩(wěn)定性就會(huì)受到很大的影響，因此鈦酸鋰電池技術(shù)應(yīng)將這個(gè)作為主攻方向，解決安全隱患。

此外，鈦酸鋰電池技術(shù)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)那就是極高的使用效率，它能極大提高應(yīng)用物品的工作效率，電池本身可承受極為密集的電流，但是較厚的電池單位實(shí)體依舊不適合于高功率的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)楹竦膯挝浑姵貙?shí)體在經(jīng)過運(yùn)作之后產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)出去，造成電池組內(nèi)部高溫，可能會(huì)引起安全隱患，因此對(duì)于鈦酸鋰電池組而言，可將尺寸大且薄的軟包電池組結(jié)構(gòu)作為一個(gè)發(fā)展方向。

2.2 在我國(guó)發(fā)展鈦酸鋰電池技術(shù)的理由

鈦酸鋰電池技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展歷史由來已久，且國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)能電池發(fā)展有著極好的發(fā)展環(huán)境以及資源。就鈦酸鋰電池使用而言，其循環(huán)使用壽命遠(yuǎn)強(qiáng)于其他鉛酸電池，且效率、成本或是電化學(xué)性能也好于其他電池體系。

鋰電池產(chǎn)品的主要需求對(duì)象為便攜式電器如手機(jī)和手提電腦等。即使國(guó)內(nèi)的手機(jī)或者手提電腦的需求量大，但大部分都并非國(guó)內(nèi)品牌，且國(guó)內(nèi)的鋰電池廠家在便攜式電器的銷售上并沒有日韓產(chǎn)品那樣多的優(yōu)勢(shì)，主要源于國(guó)內(nèi)的鈦酸鋰電池技術(shù)所適用的市場(chǎng)主要為混合電動(dòng)車或電網(wǎng)電壓支撐等。這一些市場(chǎng)的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)小，故在此類市場(chǎng)中應(yīng)用鈦酸鋰技術(shù)可占據(jù)市場(chǎng)先機(jī)。

中國(guó)人口基數(shù)占據(jù)世界人口20%，故國(guó)內(nèi)的電動(dòng)車、儲(chǔ)能及工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)已然受到重點(diǎn)關(guān)注和重視，相關(guān)政府部門也出臺(tái)了對(duì)應(yīng)的政策。加之國(guó)內(nèi)的鈦酸鋰電池系統(tǒng)在重慶及歐洲的混合電動(dòng)大巴、張北的風(fēng)光儲(chǔ)示范站有著多年的商業(yè)化應(yīng)用數(shù)據(jù)累計(jì)。此外，我國(guó)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游客戶已然增多，除沒有完備的電池材料供應(yīng)與設(shè)備制造能力，鋰電池的生產(chǎn)能力卻可媲美日本或韓國(guó)等地區(qū)。正由于具備此類優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)鋰電池生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)鋰電產(chǎn)品時(shí)更偏向于生產(chǎn)新型的電池產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的鈦酸鋰材料生產(chǎn)企業(yè)也較多，如四川興能、珠海銀隆等，其皆可在國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車及儲(chǔ)能市場(chǎng)建立銷售渠道。

綜上，鈦酸鋰電池技術(shù)有著很大的優(yōu)勢(shì)，國(guó)家如果能更好地掌握其生產(chǎn)技術(shù)可帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益，但鈦酸鋰電池的生產(chǎn)對(duì)于生產(chǎn)線的要求非常高，因此科研人員要優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)。此外鈦酸鋰技術(shù)的研究對(duì)于我國(guó)的工業(yè)發(fā)展以及居民生活質(zhì)量水平的提高有著重要的影響，科研人員要不斷加強(qiáng)這方面的研究。