钛酸锂电池技术及其产业发展现状

国电和风风电开发有限公司 王秋强 刘玉希 步 兵 高云峰 高春瑞 王逸飞

部分早期已经安装好的风机会随着使用时间的增加而出现损坏，此时可将蓄电池直接作为备用能源，但变桨系统也会面临着更高的安全风险、维护成本及工作人员工作量。与此同时，所增加的电池类故障或停电检修电池的长时间充电耗电量都是风电场的额外损失。一般来说，要想解决此类问题，必定要将铅酸蓄电池替换为超级电容，但由于其所耗费的成本偏高，往往很难被业主所接受。

而随着科技的进步，新的电池产品不断出现，其中钛酸锂电池的优越性能非常适合风电行业使用。钛酸锂电池技术有着很大的优势，其技术的研究对于我国的工业发展以及居民生活质量水平的提高有着重要的影响，科研人员要不断加强这方面的研究。

1 钛酸锂电池技术国内外发展现状

1.1 钛酸锂的发展

我国对于钛酸锂材料以及产业等层面的研究并不早，远比发达国家晚很多。国际上钛酸锂材料产业化较早的公司有美国奥钛纳米科技公司、日本石原产业株式会社等，尤其是美国奥钛生产的钛酸锂材料具备高倍率、安全性、长寿命等特征，性能方面更是受到好评，却因为生产方法过于冗长致使其生产成本高，尤其是在商业化推广层面更是难上加难。石原产业为亚洲规模最大的钛白粉制造商，其在日本、新加坡等地区均有生产的场所，主要源于生产地有着丰富的原材料资源，并能应用湿法工艺开发出一些低成本、高倍率的钛酸锂产品，从而将所有的数据都能够应用好。

正是由于此类工艺所开发出来的产品性能类似于美国奥钛纳米科技公司所开发出来的产品，但比我国的产品性能却更差一些。自从庄信万丰接手了原德国南方化学公司后，用现成的磷酸铁锂等材料进行产品研发与生产，所制作出来的产品质量较好，却常因产品质量所应用的原材料数量不稳定致使产品质量受到影响。

国内的钛酸锂材料量产家数量颇多，如四川兴能新材料有限公司、珠海银隆新能源有限公司、湖州微宏动力有限公司等，这一类的产家由于受到国家政策的扶持和补贴致使最终的数量增多，却并没有多少高质量的产品生产出来。

四川兴能公司钛酸锂材料年产能在具体生产时能够增加到3000t，该类生产工艺本身具有较强的适应性及稳定性，若未能改变生产线及运行设备，未能将其依据现实情况做好综合调整，则很难生产出更加适应于不同类别客户需求的钛酸锂，致使其很难保持本身产品指标的稳定性及合理性。若想依靠上游锂矿与钛矿资源则需确保从原矿到最终材料内部的有机协同生产，以保证钛酸锂产品的本身性能提升，从而可有效规避原材料市场的价格变动所带来的负面影响。珠海银隆于2011年所完成美国奥钛纳米科技公司53.6%股权收购事宜后，其已成为国内拥有钛酸锂材料制备、电池生产、钛酸锂电动汽车、储能系统等功能为一体的专利核心的核心企业。

北方奥钛纳米技术有限公司钛酸锂材料产能100t，能为国内相关企业提供更加优质的纳米级钛酸锂。但珠海银隆新能源还与石原产业对共同开发新型钛酸锂材料进行了有效规划和综合确定，并保证相关的原材料生产成本能随产量的增加而不断降低，或许在未来的时间内将会无限接近石墨负极材料对应的原材料成本。

湖州微宏是则为国内钛酸锂电池技术和其它快充类电池生产制作中较出名企业之一，其用于生产的钛酸锂材料可用于直接制作钛酸锂电池产品，能在市场上增强企业竞争力，对钛酸锂技术在电动车及储能市场上的长期性发展起到一种良好示范性作用，从而规避所存在的问题。

深圳贝特瑞是当前较大的锂电碳负极供应商，有较强的企业发展研发团队，甚至还属于钛酸锂行业标准的高效确定者，在钛酸锂市场销售市场中能快速获取数据信息，抢先获取更多的市场信息。目前已推出碳包覆钛酸锂和无碳包覆钛酸锂等两类产品，并能在钛酸锂电池市场中制定最优的计划，让所有的消费者能快速购买到产品。

20世纪末期锂离子电池得到飞速的发展，但这时的尖晶石型钛酸锂并没有得到广泛的发展，一方面政府对其采取了保密的态度，另一方面由于所制造的产品性能还不是非常稳定，直到20世纪90年代后期钛酸锂才作为新型锂离子电池的负极材料得到高速发展。钛酸锂材料在锂离子中进行镶嵌或脱嵌的化学反应时具有非常强的稳定性，表明锂离子使用钛酸锂作为后备处理材料时可极大地提高电池使用寿命。

钛酸锂还具备尖晶石结构才具备的独特三维离子扩散通道，在内部离子进行反应时，由于通道的贯通性及多口性反应速度可更快，具有高功率和高低温性能等优势。钛酸锂电位比碳负极材料电位高，代表着使用钛酸锂作为材料时电解液与碳负极表面上会产生的固液层就不会再现，在很大程度上减少了电池内部短路的可能性，减小了电池使用风险，提高了使用寿命。综上所述，钛酸锂材料的锂离子电池是安全性最好且使用寿命最长的电池。

1.2 钛酸锂电池在新能源领域方面应用

风力发电机组变桨系统可通过有效控制叶片的角度用于直接管控风轮的总体转速，从而合理控制风机的输出效率，并能够应用空气动力的制动模式致使风机安全停止。而在风机正常运行时，一旦风机的风速大于额定风速时，那么对应的控制功率的变桨角度将会直接控制在0～90度之间，但此类角度也可根据风速的变化情况进行合理调整，从而控制叶片的实际角度，致使风轮的转速保持一种稳定状态。一旦风机出现突发事故出现停机时，则要保证系统能够调整在一个安全状态。若是风机长期处于故障状态下，叶片则难以回归到一种安全的位置上，否则会使得风机出现意外事故，且会使得风机出现严重的倒塌情况。

电动变桨已变成风电变桨系统技术重要结构，其在正常工作时经常会因电网供电而使得风电变桨系统与电网结构出现一定的脱离，且本质上是难以依靠着电网开展工作的。对此，风电变桨系统往往都会配置备用电源，这样能保证电网出现故障后依旧能将叶片放置到安全区域中。部分风力发电机组中较常见的变桨后备电源往往包括铅酸电池和超级电容。

铅酸电池电极一般是由铅及其氧化物所组成，而电解液则是硫酸溶液的一种蓄电池，其主要是由管式正极板、负极板、电解液所共同构成，依旧是一些特殊的氧化物构成，具备电压稳定、价格便宜等特征，一般的寿命为2年左右，其具备着放电特性不好、充电时间长等特征，加之蓄电池需要长期的时间维护，故变桨系统可直接安装在100米高的风机上，以便能够降低维护成本，减小意外事故的发生概率，规避潜在的安全风险。

超级电则是通过极化电解质来储能的一种特殊的化学元件，其不同于原有的化学能源，本身处于电容器与电池之间，具有较强的特殊性能，往往是依靠着双电层和氧化还原反应来保证电荷储存电能，一般在具体的电荷储能过程中并不会出现任何化学反应，主要源于这种化学储能过程是一种可逆的流程。但也正因如此，一些超级电容器往往会被重复充电或放电数次。由于超级电容器具备高效率、大电流放电、宽电压范围等特征，若是在此类工作环境下进行操作，那么必然会耗费大量的资金。

钛酸锂电池是一种以钛酸锂作为负极的特殊的电池类别，其具备高安全性、高稳定性等特征，目前已经被广泛的应用于新能源汽车产业中，有着极为重要的价值作用。单个电芯电压一般为2.3V，充放电次数超过20000次，于风电行业使用可实现后备电源免维护，其主要特点是，充放电能力强、安全性能好、循环性能好、高低温性能好、自保持能力强，缺点是能量密度低，价格较高。但于风电行业使用，其能量密度高于铅酸电池，足够后备电源使用。同时其价格远低于超级电容，是实现变桨系统免维护，避免风场因电池问题导致电量损失的性价比最高产品。

2 钛酸锂电池技术开发难点以及发展方向

2.1 钛酸锂材料、电池及电池组别制造瓶颈

既然钛酸锂电池技术有诸多其他锂电无法比拟的优越性，那为何至今为止在我国能源行业乃至世界能源领域应用寥寥呢?原因有以下三个方面。

2.1.1 钛酸锂材料的产生

生产原理上钛酸锂的生产并不是一个复杂的过程，但是当技术人员将钛酸锂作为锂离子电池的负极材料时，面对的问题就比较多了，首先当钛酸锂作为锂离子电池负极材料时，考虑到电池的反应速度等因素，要控制好材料的反应面积、钛酸锂的密度、钛酸锂的粒度以及电学性等，且须得确保所控制的钛酸锂能实现大规模的电池生产，因此总体来讲，钛酸锂电池的生产技术是非常严谨且困难的。

2.1.2 钛酸锂电池制作

在钛酸锂电池的生产制作过程中，并不能将常规的锂离子电池生产线直接用于生产钛酸锂电池，由于钛酸锂材料在生产过程中对于环境的湿度要求非常高，因此常规的锂离子电池生产线并不能达到这样的湿度，技术部门要对生产线进行特殊的加工处理。技术人员可进行制备工艺的参数调整，经过多方测试将湿度控制在合理的范围之内。不仅如此，有关的生产设备也要进行专门的设计整改，其实最好的办法就是投入资金打造一条专门的钛酸锂电生产线。

2.1.3 钛酸锂电池组

钛酸锂电池与常规的锂离子电池有着很大的差别，当下最常见的钛酸锂电池组在投入使用一定的时间之后就会出现产品内部气泡的出现，这是由于在长期使用之后钛酸锂内部元素不稳定与空气中的部分元素发生了物理反应所产生的气体，而这些气体由于具有特殊的性质，因此常规的手段很难将其去除，长期以往下去内部的气体超过了合格标准，因此出现了气泡。以软包电池为例，通常情况下，钛酸锂电池组的工作原理实际上是通过电池组两端的夹板压力施压使电池组极片能均匀的接触，然后产生持续稳定的电流，实现电池组的工作，而这一过程中如果有气体的干扰，那么稳定性就会受到很大的影响，因此钛酸锂电池技术应将这个作为主攻方向，解决安全隐患。

此外，钛酸锂电池技术还有一个优点那就是极高的使用效率，它能极大提高应用物品的工作效率，电池本身可承受极为密集的电流，但是较厚的电池单位实体依旧不适合于高功率的机械运转，因为厚的单位电池实体在经过运作之后产生的热量很难散发出去，造成电池组内部高温，可能会引起安全隐患，因此对于钛酸锂电池组而言，可将尺寸大且薄的软包电池组结构作为一个发展方向。

2.2 在我国发展钛酸锂电池技术的理由

钛酸锂电池技术在国内的发展历史由来已久，且国内的储能电池发展有着极好的发展环境以及资源。就钛酸锂电池使用而言，其循环使用寿命远强于其他铅酸电池，且效率、成本或是电化学性能也好于其他电池体系。

锂电池产品的主要需求对象为便携式电器如手机和手提电脑等。即使国内的手机或者手提电脑的需求量大，但大部分都并非国内品牌，且国内的锂电池厂家在便携式电器的销售上并没有日韩产品那样多的优势，主要源于国内的钛酸锂电池技术所适用的市场主要为混合电动车或电网电压支撑等。这一些市场的相对竞争小，故在此类市场中应用钛酸锂技术可占据市场先机。

中国人口基数占据世界人口20%，故国内的电动车、储能及工业应用市场已然受到重点关注和重视，相关政府部门也出台了对应的政策。加之国内的钛酸锂电池系统在重庆及欧洲的混合电动大巴、张北的风光储示范站有着多年的商业化应用数据累计。此外，我国锂电池产业链上下游客户已然增多，除没有完备的电池材料供应与设备制造能力，锂电池的生产能力却可媲美日本或韩国等地区。正由于具备此类优势，国内锂电池生产厂家在生产锂电产品时更偏向于生产新型的电池产品。国内的钛酸锂材料生产企业也较多，如四川兴能、珠海银隆等，其皆可在国内外电动车及储能市场建立销售渠道。

综上，钛酸锂电池技术有着很大的优势，国家如果能更好地掌握其生产技术可带来更高的经济效益，但钛酸锂电池的生产对于生产线的要求非常高，因此科研人员要优化生产技术。此外钛酸锂技术的研究对于我国的工业发展以及居民生活质量水平的提高有着重要的影响，科研人员要不断加强这方面的研究。