礦用動力電池的現狀分析與發展趨勢
鉅大LARGE | 點擊量:1634次 | 2023年08月17日
摘要
煤礦井下電池形式多種多樣,本文對目前煤礦井下礦用電池現狀進行了闡述;隨著科學技術的迅速發展,動力電池逐漸成為新興蓄電池的研究方向,文章通過比較分析幾種常見的動力電池,對井下礦用電池的發展趨勢提出了展望。
引言
礦用電池是適用于煤礦井下特殊環境,滿足一定安全技術要求的特殊電池。礦用電池、專用保護電路、其他輔助電路和外殼等部件構成礦用電源。隨著電化學理論、電池材料、電池管理保護等技術的不斷發展,以及煤礦井下緊急避險設施、電池驅動車輛等新裝備的出現,大容量電池供電已成為一個新的趨勢。本文分析了目前礦用井下電池的現狀,并對井下電池的發展提出了展望。
1.礦用井下電池分類
目前,煤礦井下使用的電池主要有原電池、蓄電池、貯備電池三類。不同類型的電池在性能指標、保護方式、管理要求等方面都有區別。
1.1 原電池
原電池,也稱為一次電池,是一種放電后不能用充電方法使其復原的電池。一般包括水溶液電解質原電池和鋰原電池兩大類。原電池一般由正極(相對不活潑的金屬或非金屬導體)、負極(活潑性較強金屬)、隔膜、電解液和外殼等幾部分組成。原電池是一種利用兩個電極之間金屬性的不同,產生電勢差,從而使電子的流動、產生電流的化學電池。負極在放電時流出電子,發生氧化反應,正極在放電時流入電子,發生還原反應。井下常見的原電池類型見表1。
表1 井下設備常用原電池類型
代表字母 正極 電解質 負極 標稱電壓(V) 最高開路電壓(V)
― 二氧化錳 氯化銨、氯化鋅 鋅 1.5 1.73
A 氧 氯化銨、氯化鋅 鋅 1.4 1.55
C 二氧化錳 有機電解質 鋰 3 3.7
E 亞硫酰氯 無水無機化合物 鋰 3.6 3.9
L 二氧化錳 堿金屬氫氧化物 鋅 1.5 1.65
P 氧 堿金屬氫氧化物 鋅 1.4 1.68
1.2 蓄電池
表2 不同類型的蓄電池性能對比
電池類型 工作電壓(V) 使用電壓范圍(V) 體積比能(Wh/L) 質量比能(Wh/g) 循環次數(次)
鋰離子蓄電池 3.6 2.5~4.2 246 100 500~10000
鉛酸蓄電池 2.0 1.2~1.4 80 30 200~500
鎳鎘蓄電池 1.2 1.0~1.4 155 60 500
鎳氫蓄電池 1.2 1.0~1.4 190 70 500
1.3 貯備電池
貯備電池,也稱為“激活電池”,是一種貯備期間,正負極板不與電解液直接接觸,使用時注入電解液或電解質熔化,從而使電池處于待放電而具有活性的電池。貯備電池屬于一種應急的備用電源,日常無需維護,可長達存放超過3年。
1.4 其他電池
礦用井下電池除上述常見的幾種電池外,還有超級電容和鈉鹽電池兩種。超級電容器是介于普通電容器和電池之間的電化學儲能器件,其組成結構與電池非常相似,目前僅認可正極材料為鎳鎘材料,電解液為氫氧化鉀的水溶液的無機混合型超級電容器。鈉鹽電池屬于一種高溫電池,使用時若干單體電池構成一個電池模塊,每個電池模塊配備一個加熱裝置和一個電池管理系統。鈉鹽電池在煤礦井下應用的安全性研究還在進行中。
2.礦用井下電池發展展望
隨著井下輔助運輸技術的發展,大量的無軌膠輪車、單軌吊、機車等輔助運輸車輛應運而生。傳統以柴油機作為動力源的車輛,在其運輸過程中排放大量的有害氣體,污染井下環境,并且這種傳統模式帶來的能源消耗也是巨大的[2]。以電池作為動力源的電動輔助車輛成為目前各大高校、科研院所炙手可熱的研究方向,從而帶動了煤礦井下電池朝著高功率密度、體積小、循環壽命長的動力電池發展[3]。
2.1 鉛酸蓄電池
鉛酸電池早年在煤礦井下電機車應用比較廣泛,技術成熟,價格便宜,但其電池能量密度低,壽命短,深度循環壽命只有300次,需要經常維護。鉛酸電池在充電時,電解硫酸鉛會析出氫離子,造成潛在的安全隱患。國家安全標志受理中心(下簡稱安標中心)已經頒布相關規定,鉛酸電池(包括鉛晶電池)嚴禁使用在隔爆腔內,所以鉛酸電池在井下的應用受到嚴重限制,逐步被其他蓄電池所替代。
2.2 鎳鎘蓄電池
在民用領域,鎳鎘蓄電池的應用僅次于鉛酸蓄電池,廣泛地應用于通訊工具、電動工具等。但是由于鎘的污染,歐盟各國已禁止用于動力電池。目前鎳鎘蓄電池主要與鎳氫電池、鋰電池爭奪市場,但是鎘的污染問題嚴重限制了鎳鎘蓄電池的發展。
2.3 鎳氫蓄電池
鎳氫蓄電池與相同體積的鎳鎘蓄電池相比,容量增加一倍,充放電循環壽命也較長,并且沒有記憶效應。但是在對鎳氫電池進行充電時,如果最佳安全充電截止電壓選擇不正確的話,很容易產生氧氣,給煤礦安全生產帶來了極大的隱患。安標中心對于井下鎳氫蓄電池的使用非常嚴格,規定礦用鎳氫蓄電池單體容量不應超過20Ah,對于使用礦用鎳氫蓄電池超出單體容量大于20Ah的產品,暫不受理其安全標志申辦申請[4]。
2.4 鋰離子電池
鋰離子電池與傳統的鉛酸蓄電池相比,其特性和優點都很突出:
(1)壽命長:相對于深度循環壽命在300左右,最高500次以內的鉛酸蓄電池,磷酸鐵鋰電池在室溫下1C充放電深度循環可達2000次,容量保持率80%以上,是鉛酸電池的5倍,鎳氫電池的4倍。
(2)能量大、密度高、體積?。?/strong>相同體積的鋰離子電池能量是鎳氫電池的1.3倍,鉛酸電池的3倍。
(3)安全性高:磷酸根化學鍵的結合力比傳統的過渡金屬氧化物結構化學鍵強,所以結構更加穩定,并且不易釋放氧氣。磷酸鐵鋰電池在高溫下的穩定性可達40℃以上,保證了電池內在的高安全性,不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產生爆炸或燃燒[5]。
(4)環保性優越。磷酸鐵鋰電池不僅環保,而且制作上不需要加入稀有金屬。磷酸鐵鋰不含任何(鋰之外)重金屬或者稀有金屬,無毒(SGS認證通過),無污染,符合歐洲RoHS規定,為環保電池。
(5)充、放電優勢強。磷酸鐵鋰電池充電速度快,自放電少,無記憶效應。磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電,在專用充電器下,2C充電30分鐘內即可使電池充滿95%,起動電流可達2C,而鉛酸電池現在無此性能。
2.5 燃料電池
燃料電池與常規化學能源不同,更類似于汽油或柴油發動機。它的燃料(主要是氫氣)和氧化劑(純氧氣或空氣)不是儲存在電池內,而是存儲在電池外的儲罐中。它的最大特點就是反應過程中不涉及燃燒,因此其能量轉換效率不受“卡洛循環”的限制,其能量轉換效率可高達80%,實際使用效率則是普通內燃機的2~3倍,十分適用于電動汽車上[6]。但是由于其燃料含有大量的氧化劑,目前煤礦井下尚未出現以燃料電池作為電源的產品或裝備。
3.結語
煤礦井下電池形式多樣,但受其煤礦井下環境存在易燃易爆氣體的特殊性限制,電池在實際使用過程中,其容量、結構及其管理需要特別注意。動力電池成為一種新興蓄電池發展趨勢,通過本文分析,鋰離子電池,尤其以磷酸鐵鋰蓄電池為主,具有高能量密度、體積小、循環壽命長、安全可靠性高等優點,目前成為鉛酸電池傳統動力電池最好的替代產品,隨著電池工藝及其防爆技術的發展,更多清潔能源型電池將運用到煤礦井下。
參考文獻
[1]戴永年,楊斌,姚耀春等.鋰離子電池的發展狀況[J].電池,2003,35(3).
[2]王少龍,侯明,王瑞山.動力電池的研究現狀及發展趨勢[J].云南冶金,2010,2:75-80.
[3]張傳偉,郭衛.煤礦井下無軌膠輪電動車技術發展[J].煤礦機械,2012,6:1-3.
[4]關于礦用產品使用的鎳氫蓄電池安全標志管理意見[Z].安標中心,2013.
[5]陳世全.先進電動汽車技術[M].北京:化學工業出版社,2007.
[6]王震坡,孫逢春.電動車輛動力電池系統及應用技術[M].北京:機械工業出版社,2012.
作者簡介:范領(1988―),女,河南沈丘人,助理工程師,從事礦山自動化方面的工作。