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。
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。
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。
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。
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。