1.在中國發(fā)展鈦酸鋰電池技術(shù)的理由
鈦酸鋰電池技術(shù)在我國各種儲(chǔ)能電池(如先進(jìn)鉛酸、鈉硫、液流釩等電池體系)中的競爭應(yīng)該占有天時(shí)、地利、人和之優(yōu)勢(shì)。光就使用壽命而言，鈦酸鋰電池超長的循環(huán)壽命遠(yuǎn)勝于各類鉛酸電池;其效率、成本及電化學(xué)性能更是優(yōu)于鈉硫與液流釩等電池體系。鋰電產(chǎn)品歷年來主要市場是便攜式電器如手機(jī)和手提電腦等。根據(jù)在日本舉行的第6屆國際充電型電池展，在2015年度全球便攜式電器的市場為49 119 MWh;而電動(dòng)車與儲(chǔ)能各為7 636 MWh和944 MWh。中國的手機(jī)與手提(平板)電腦的用量雖大，但大部分都不屬國內(nèi)品牌。所以國內(nèi)鋰電廠家在便攜式電器上的鋰電銷售能力輸于日韓產(chǎn)品。其原因筆者近期已有觀點(diǎn)發(fā)表，在此不再謷述。然而，鈦酸鋰技術(shù)的適用市場卻是混合電動(dòng)車、特殊工業(yè)應(yīng)用及儲(chǔ)能應(yīng)用如調(diào)頻及電網(wǎng)電壓支撐等。這些市場在全世界尚處于起步階段，誰執(zhí)牛耳尚未可知。鈦酸鋰技術(shù)有望成為這些市場中的佼佼者。
中國人口基數(shù)占全世界約1/5。由于人口眾多，中國的電動(dòng)車、儲(chǔ)能及工業(yè)應(yīng)用市場是一個(gè)讓許多國家的跨國公司所垂涎的巨大市場。近年來中國政府對(duì)電動(dòng)車及儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度重視，各類國家鼓勵(lì)政策紛紛出臺(tái)。中國產(chǎn)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)示范站及深圳寶清儲(chǔ)能電站已有了幾年的商業(yè)化應(yīng)用數(shù)據(jù)積累。另外，我國鋰電產(chǎn)業(yè)鏈的上下游早已成氣候，除了完備的電池材料供應(yīng)與設(shè)備制造能力之外，鋰電池產(chǎn)品的生產(chǎn)能力也與日、韓2國三分天下。這就使得我國的鋰電生產(chǎn)廠家從傳統(tǒng)鋰電生產(chǎn)轉(zhuǎn)型到鈦酸鋰電池產(chǎn)品生產(chǎn)具備了先天的條件。我國在鈦酸鋰材料生產(chǎn)方面早已有了像四川興能、河北銀隆、湖州微宏等既有實(shí)力、又有經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)。在鈦酸鋰電池生產(chǎn)方面脫穎而出的代表企業(yè)有湖州微宏、河北銀隆、天津捷威等。這些企業(yè)都已經(jīng)在國內(nèi)外電動(dòng)車及儲(chǔ)能市場初步建立了自己的銷售渠道。尤其值得指出的是河北銀隆擁有從材料生產(chǎn)到電池制作及系統(tǒng)集成一系列專有技術(shù)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前中國鋰電界尚屬少見的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)廠家。
2.鈦酸鋰材料、電池及電池組制作的瓶頸
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，那為何至今為止在中國能源行業(yè)乃至世界能源領(lǐng)域應(yīng)用寥寥呢?原因有以下3個(gè)方面。
鈦酸鋰材料生產(chǎn)
鈦酸鋰材料的生產(chǎn)從原則上說并不復(fù)雜。但要用作鋰離子電池的負(fù)極材料，不但需要講究材料具有合適的比表面積、粒度、密度和電化學(xué)性能等，還必須能夠適應(yīng)于大規(guī)模鋰電池的生產(chǎn)工藝。鈦酸鋰材料在很多傳統(tǒng)鋰電生產(chǎn)線上無法正常生產(chǎn)的原因之一就是材料的pH為11或12，吸濕性極強(qiáng)。這就使得鈦酸鋰材料在電池制作的前段工藝如配料、攪拌、涂布、滾壓時(shí)隨地點(diǎn)、氣候、季節(jié)的不同而材料的吸潮量也不同，最終導(dǎo)致產(chǎn)品脹氣、質(zhì)量失控。筆者認(rèn)為，如何降低材料的吸潮性，在鈦酸鋰材料表面包覆一薄層憎水性材料同時(shí)又不阻擋鋰離子與電子的進(jìn)出應(yīng)該是一個(gè)很值得研究的課題。
鈦酸鋰電池制作
在事實(shí)上，將常規(guī)鋰離子電池生產(chǎn)線直接用來生產(chǎn)鈦酸鋰電池產(chǎn)品并不像僅僅把石墨換成鈦酸鋰材料那樣簡單。因?yàn)殁佀徜嚥牧蠈?duì)濕度的要求比常規(guī)鋰離子電池生產(chǎn)要高得多。為了控制濕度，有些制備工藝需要做相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)鈦酸鋰電池產(chǎn)品生產(chǎn)的特殊要求。另外，有些生產(chǎn)設(shè)備也需要做相應(yīng)的改進(jìn)。如果有條件的話，最好能專門為鈦酸鋰電池產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)一條結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、全封閉式的自動(dòng)化生產(chǎn)線。
鈦酸鋰電池組
與常規(guī)鋰離子電池不同，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的鈦酸鋰電池在成組投入應(yīng)用一段時(shí)期后常會(huì)看到軟包的單體電池內(nèi)有微量的氣體產(chǎn)生。這些氣體與新鮮電池化成時(shí)產(chǎn)生的氣體不同。前者能夠通過電池生產(chǎn)工藝來去除。但后者則是在電池使用過程中產(chǎn)生的，或者說在目前的工藝條件下很難避免。以軟包電池為例，一般鈦酸鋰電池組是靠兩端結(jié)實(shí)的夾板壓力來保持電池極片之間的均勻接觸以維持電流密度的均一性，無論產(chǎn)氣與否。過多的氣體產(chǎn)生顯然會(huì)影響其性能發(fā)揮。這時(shí)東芝的鋁殼鈦酸鋰電池就顯示出其優(yōu)越性了，硬殼可以將少量氣體保持在電池內(nèi)而不產(chǎn)生過大的形變。然而，鋁殼電池做大之后(如50 Ah)硬體外殼抵御氣壓的功效也就減弱了。筆者認(rèn)為，研究循環(huán)時(shí)氣體產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理應(yīng)該不失為一個(gè)很好的科研題目。
另外，由于鈦酸鋰電池技術(shù)的優(yōu)越性之一是其高功率性能。雖然電池本身可以承受大電流充放電，但厚的單體電池仍然不適于高功率應(yīng)用因?yàn)殡姵靥駮?huì)造成大電流產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)。所以對(duì)大功率鈦酸鋰電池來說，尺寸大而薄的軟包電池結(jié)構(gòu)仍不失為一個(gè)合理的選擇。
3.鈦酸鋰技術(shù)的今后發(fā)展方向
最后，在此有必要綜合概括一下鈦酸鋰材料作為鋰電負(fù)極的優(yōu)劣勢(shì)，優(yōu)勢(shì)：超高安全性(不易燃不易爆)、超長壽命、高低溫工作范圍寬(-40～65℃)、高功率、低成本(電池負(fù)極僅占全電池成本的20%～30%，按每次循環(huán)的成本來算，鈦酸鋰電池的價(jià)格并不高;鈦酸鋰電池系統(tǒng)應(yīng)用于儲(chǔ)能意味著減少了大批更換上萬個(gè)電池的次數(shù)及其維護(hù)成本;另外，鈦酸鋰負(fù)極的集流體是鋁，而非昂貴的銅)以及綠色環(huán)保。劣勢(shì)：鈦酸鋰材料能量密度低(比較石墨而言)、吸水性強(qiáng)，電池制作的環(huán)境要求高、生產(chǎn)工藝要做相應(yīng)的更新、新工藝需要投資必要的設(shè)備與更高要求的濕度控制(電池生產(chǎn)廠需要被指導(dǎo)如何正確生產(chǎn)鈦酸鋰電池)、以及鈦酸鋰電池的應(yīng)用市場尚未充分打開(需要讓市場用戶及政策制定者充分了解鈦酸鋰系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì))。
結(jié)語
在當(dāng)前中國政府大力倡導(dǎo)開發(fā)新能源及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大環(huán)境下，如何推動(dòng)鈦酸鋰電池技術(shù)及其在電動(dòng)車和儲(chǔ)能市場上的應(yīng)用對(duì)中國鈦酸鋰電池產(chǎn)業(yè)而言是機(jī)不可失，時(shí)不再來。對(duì)于國內(nèi)的河北銀隆、湖州微宏、四川興能、深圳貝特瑞等擁有一部分自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)勢(shì)及銷售渠道的企業(yè)應(yīng)該是得天獨(dú)厚的機(jī)會(huì)。很多人沒有意識(shí)到中國在鈦酸鋰技術(shù)方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)是目前以磷酸鐵鋰電池為主的所謂“主流化學(xué)”所不具備的。開發(fā)高容量高電位正極材料(如NCA或鎳錳酸鋰)以提高鈦酸鋰電池的能量密度是趕超日韓的一步妙棋。當(dāng)然，同時(shí)必須對(duì)整個(gè)鋰離子電池化學(xué)體系進(jìn)行研究，如高電位電解液和抗氧化隔膜等課題研究。中國鋰電行業(yè)開發(fā)鈦酸鋰電池技術(shù)的努力將會(huì)得到正在崛起的電動(dòng)車、儲(chǔ)能及工業(yè)應(yīng)用市場可觀的回報(bào)。
