國電和風(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)會隨著使用時間的增加而出現(xiàn)損壞，此時可將蓄電池直接作為備用能源，但變槳系統(tǒng)也會面臨著更高的安全風(fēng)險、維護(hù)成本及工作人員工作量。與此同時，所增加的電池類故障或停電檢修電池的長時間充電耗電量都是風(fēng)電場的額外損失。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電容，但由于其所耗費的成本偏高，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，其技術(shù)的研究對于我國的工業(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)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 鈦酸鋰的發(fā)展

我國對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)國家晚很多。國際上鈦酸鋰材料產(chǎn)業(yè)化較早的公司有美國奧鈦納米科技公司、日本石原產(chǎn)業(yè)株式會社等，尤其是美國奧鈦生產(chǎn)的鈦酸鋰材料具備高倍率、安全性、長壽命等特征，性能方面更是受到好評，卻因為生產(chǎn)方法過于冗長致使其生產(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)品性能類似于美國奧鈦納米科技公司所開發(fā)出來的產(chǎn)品，但比我國的產(chǎn)品性能卻更差一些。自從莊信萬豐接手了原德國南方化學(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、湖州微宏動力有限公司等，這一類的產(chǎn)家由于受到國家政策的扶持和補(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)線及運行設(shè)備，未能將其依據(jù)現(xiàn)實情況做好綜合調(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)避原材料市場的價格變動所帶來的負(fù)面影響。珠海銀隆于2011年所完成美國奧鈦納米科技公司53.6%股權(quán)收購事宜后，其已成為國內(nèi)擁有鈦酸鋰材料制備、電池生產(chǎn)、鈦酸鋰電動汽車、儲能系統(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，能為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的納米級鈦酸鋰。但珠海銀隆新能源還與石原產(chǎn)業(yè)對共同開發(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，或許在未來的時間內(nèi)將會無限接近石墨負(fù)極材料對應(yīng)的原材料成本。

湖州微宏是則為國內(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，能在市場上增強(qiáng)企業(yè)競爭力，對鈦酸鋰技術(shù)在電動車及儲能市場上的長期性發(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，甚至還屬于鈦酸鋰行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高效確定者，在鈦酸鋰市場銷售市場中能快速獲取數(shù)據(jù)信息，搶先獲取更多的市場信息。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中制定最優(yōu)的計劃，讓所有的消費者能快速購買到產(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)才具備的獨特三維離子擴(kuò)散通道，在內(nèi)部離子進(jìn)行反應(yīng)時，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。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電解液與碳負(fù)極表面上會產(chǎn)生的固液層就不會再現(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，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)用空氣動力的制動模式致使風(fēng)機(jī)安全停止。而在風(fēng)機(jī)正常運行時，一旦風(fēng)機(jī)的風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，那么對應(yīng)的控制功率的變槳角度將會直接控制在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，則要保證系統(tǒng)能夠調(diào)整在一個安全狀態(tài)。若是風(fēng)機(jī)長期處于故障狀態(tài)下，葉片則難以回歸到一種安全的位置上，否則會使得風(fēng)機(jī)出現(xiàn)意外事故，且會使得風(fēng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的倒塌情況。

電動變槳已變成風(fēng)電變槳系統(tǒng)技術(shù)重要結(jié)構(gòu)，其在正常工作時經(jīng)常會因電網(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。對此，風(fēng)電變槳系統(tǒng)往往都會配置備用電源，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、充電時間長等特征，加之蓄電池需要長期的時間維護(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。

超級電則是通過極化電解質(zhì)來儲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)來保證電荷儲存電能，一般在具體的電荷儲能過程中并不會出現(xiàn)任何化學(xué)反應(yīng)，主要源于這種化學(xué)儲能過程是一種可逆的流程。但也正因如此，一些超級電容器往往會被重復(fù)充電或放電數(shù)次。由于超級電容器具備高效率、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，那么必然會耗費大量的資金。

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，有著極為重要的價值作用。單個電芯電壓一般為2.3V，充放電次數(shù)超過20000次，于風(fēng)電行業(yè)使用可實現(xiàn)后備電源免維護(hù)，其主要特點是，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)，缺點是能量密度低，價格較高。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。同時其價格遠(yuǎn)低于超級電容，是實現(xiàn)變槳系統(tǒng)免維護(hù)，避免風(fēng)場因電池問題導(dǎo)致電量損失的性價比最高產(chǎn)品。

2 鈦酸鋰電池技術(shù)開發(fā)難點以及發(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，面對的問題就比較多了，首先當(dāng)鈦酸鋰作為鋰離子電池負(fù)極材料時，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)計整改，其實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間之后就會出現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部氣泡的出現(xiàn)，這是由于在長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)定性就會受到很大的影響，因此鈦酸鋰電池技術(shù)應(yīng)將這個作為主攻方向，解決安全隱患。

此外，鈦酸鋰電池技術(shù)還有一個優(yōu)點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體依舊不適合于高功率的機(jī)械運轉(zhuǎn)，因為厚的單位電池實體在經(jīng)過運作之后產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)出去，造成電池組內(nèi)部高溫，可能會引起安全隱患，因此對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)作為一個發(fā)展方向。

2.2 在我國發(fā)展鈦酸鋰電池技術(shù)的理由

鈦酸鋰電池技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展歷史由來已久，且國內(nèi)的儲能電池發(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)品的主要需求對象為便攜式電器如手機(jī)和手提電腦等。即使國內(nèi)的手機(jī)或者手提電腦的需求量大，但大部分都并非國內(nèi)品牌，且國內(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，主要源于國內(nèi)的鈦酸鋰電池技術(shù)所適用的市場主要為混合電動車或電網(wǎng)電壓支撐等。這一些市場的相對競爭小，故在此類市場中應(yīng)用鈦酸鋰技術(shù)可占據(jù)市場先機(jī)。

中國人口基數(shù)占據(jù)世界人口20%，故國內(nèi)的電動車、儲能及工業(yè)應(yīng)用市場已然受到重點關(guān)注和重視，相關(guān)政府部門也出臺了對應(yīng)的政策。加之國內(nèi)的鈦酸鋰電池系統(tǒng)在重慶及歐洲的混合電動大巴、張北的風(fēng)光儲示范站有著多年的商業(yè)化應(yīng)用數(shù)據(jù)累計。此外，我國鋰電池產(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等地區(qū)。正由于具備此類優(yōu)勢，國內(nèi)鋰電池生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)鋰電產(chǎn)品時更偏向于生產(chǎn)新型的電池產(chǎn)品。國內(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，其皆可在國內(nèi)外電動車及儲能市場建立銷售渠道。

綜上，鈦酸鋰電池技術(shù)有著很大的優(yōu)勢，國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)的研究對于我國的工業(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。