1.在中國(guó)發(fā)展鈦酸鋰電池技術(shù)的理由
鈦酸鋰電池技術(shù)在我國(guó)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(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)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(lái)主要市場(chǎng)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(guó)際充電型電池展，在2015年度全球便攜式電器的市場(chǎng)為49 119 MWh;而電動(dòng)車與儲(chǔ)能各為7 636 MWh和944 MWh。中國(guó)的手機(jī)與手提(平板)電腦的用量雖大，但大部分都不屬國(guó)內(nèi)品牌。所以國(guó)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(chǎng)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(chǎng)在全世界尚處于起步階段，誰(shuí)執(zhí)牛耳尚未可知。鈦酸鋰技術(shù)有望成為這些市場(chǎng)中的佼佼者。
中國(guó)人口基數(shù)占全世界約1/5。由于人口眾多，中國(guó)的電動(dòng)車、儲(chǔ)能及工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)是一個(gè)讓許多國(guó)家的跨國(guó)公司所垂涎的巨大市場(chǎng)。近年來(lái)中國(guó)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(guó)家鼓勵(lì)政策紛紛出臺(tái)。中國(guó)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(guó)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(guó)三分天下。這就使得我國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)外電動(dòng)車及儲(chǔ)能市場(chǎng)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(guó)鋰電界尚屬少見(jiàn)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(wú)法比擬的優(yōu)越性，那為何至今為止在中國(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(shuō)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(wú)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(lái)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(jiǎn)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(guó)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(guò)電池生產(chǎn)工藝來(lái)去除。但后者則是在電池使用過(guò)程中產(chǎn)生的，或者說(shuō)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?jī)啥私Y(jié)實(shí)的夾板壓力來(lái)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(wú)論產(chǎn)氣與否。過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(lái)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(wàn)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(chǎng)尚未充分打開(kāi)(需要讓市場(chǎng)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(yǔ)
在當(dāng)前中國(guó)政府大力倡導(dǎo)開(kāi)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(chǎng)上的應(yīng)用對(duì)中國(guó)鈦酸鋰電池產(chǎn)業(yè)而言是機(jī)不可失，時(shí)不再來(lái)。對(duì)于國(guó)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(méi)有意識(shí)到中國(guó)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(kāi)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(guó)鋰電行業(yè)開(kāi)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(chǎng)可觀的回報(bào)。
