矿用动力电池的现状分析与发展趋势

摘要

煤矿井下电池形式多种多样，本文对目前煤矿井下矿用电池现状进行了阐述;随着科学技术的迅速发展，动力电池逐渐成为新兴蓄电池的研究方向，文章通过比较分析几种常见的动力电池，对井下矿用电池的发展趋势提出了展望。

引言

矿用电池是适用于煤矿井下特殊环境，满足一定安全技术要求的特殊电池。矿用电池、专用保护电路、其他辅助电路和外壳等部件构成矿用电源。随着电化学理论、电池材料、电池管理保护等技术的不断发展，以及煤矿井下紧急避险设施、电池驱动车辆等新装备的出现，大容量电池供电已成为一个新的趋势。本文分析了目前矿用井下电池的现状，并对井下电池的发展提出了展望。

1.矿用井下电池分类

目前，煤矿井下使用的电池主要有原电池、蓄电池、贮备电池三类。不同类型的电池在性能指标、保护方式、管理要求等方面都有区别。

1.1 原电池

原电池，也称为一次电池，是一种放电后不能用充电方法使其复原的电池。一般包括水溶液电解质原电池和锂原电池两大类。原电池一般由正极（相对不活泼的金属或非金属导体）、负极（活泼性较强金属）、隔膜、电解液和外壳等几部分组成。原电池是一种利用两个电极之间金属性的不同，产生电势差，从而使电子的流动、产生电流的化学电池。负极在放电时流出电子，发生氧化反应，正极在放电时流入电子，发生还原反应。井下常见的原电池类型见表1。

表1 井下设备常用原电池类型

代表字母 正极 电解质 负极 标称电压（V） 最高开路电压（V）

― 二氧化锰 氯化铵、氯化锌 锌 1.5 1.73

A 氧 氯化铵、氯化锌 锌 1.4 1.55

C 二氧化锰 有机电解质 锂 3 3.7

E 亚硫酰氯 无水无机化合物 锂 3.6 3.9

L 二氧化锰 碱金属氢氧化物 锌 1.5 1.65

P 氧 碱金属氢氧化物 锌 1.4 1.68

1.2 蓄电池

表2 不同类型的蓄电池性能对比

电池类型 工作电压（V） 使用电压范围（V） 体积比能（Wh/L） 质量比能（Wh/g） 循环次数（次）

锂离子蓄电池 3.6 2.5～4.2 246 100 500～10000

铅酸蓄电池 2.0 1.2～1.4 80 30 200～500

镍镉蓄电池 1.2 1.0～1.4 155 60 500

镍氢蓄电池 1.2 1.0～1.4 190 70 500

1.3 贮备电池

贮备电池，也称为“激活电池”，是一种贮备期间，正负极板不与电解液直接接触，使用时注入电解液或电解质熔化，从而使电池处于待放电而具有活性的电池。贮备电池属于一种应急的备用电源，日常无需维护，可长达存放超过3年。

1.4 其他电池

矿用井下电池除上述常见的几种电池外，还有超级电容和钠盐电池两种。超级电容器是介于普通电容器和电池之间的电化学储能器件，其组成结构与电池非常相似，目前仅认可正极材料为镍镉材料，电解液为氢氧化钾的水溶液的无机混合型超级电容器。钠盐电池属于一种高温电池，使用时若干单体电池构成一个电池模块，每个电池模块配备一个加热装置和一个电池管理系统。钠盐电池在煤矿井下应用的安全性研究还在进行中。

2.矿用井下电池发展展望

随着井下辅助运输技术的发展，大量的无轨胶轮车、单轨吊、机车等辅助运输车辆应运而生。传统以柴油机作为动力源的车辆，在其运输过程中排放大量的有害气体，污染井下环境，并且这种传统模式带来的能源消耗也是巨大的[2]。以电池作为动力源的电动辅助车辆成为目前各大高校、科研院所炙手可热的研究方向，从而带动了煤矿井下电池朝着高功率密度、体积小、循环寿命长的动力电池发展[3]。

2.1 铅酸蓄电池

铅酸电池早年在煤矿井下电机车应用比较广泛，技术成熟，价格便宜，但其电池能量密度低，寿命短，深度循环寿命只有300次，需要经常维护。铅酸电池在充电时，电解硫酸铅会析出氢离子，造成潜在的安全隐患。国家安全标志受理中心（下简称安标中心）已经颁布相关规定，铅酸电池（包括铅晶电池）严禁使用在隔爆腔内，所以铅酸电池在井下的应用受到严重限制，逐步被其他蓄电池所替代。

2.2 镍镉蓄电池

在民用领域，镍镉蓄电池的应用仅次于铅酸蓄电池，广泛地应用于通讯工具、电动工具等。但是由于镉的污染，欧盟各国已禁止用于动力电池。目前镍镉蓄电池主要与镍氢电池、锂电池争夺市场，但是镉的污染问题严重限制了镍镉蓄电池的发展。

2.3 镍氢蓄电池

镍氢蓄电池与相同体积的镍镉蓄电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且没有记忆效应。但是在对镍氢电池进行充电时，如果最佳安全充电截止电压选择不正确的话，很容易产生氧气，给煤矿安全生产带来了极大的隐患。安标中心对于井下镍氢蓄电池的使用非常严格，规定矿用镍氢蓄电池单体容量不应超过20Ah，对于使用矿用镍氢蓄电池超出单体容量大于20Ah的产品，暂不受理其安全标志申办申请[4]。

2.4 锂离子电池

锂离子电池与传统的铅酸蓄电池相比，其特性和优点都很突出：

（1）寿命长：相对于深度循环寿命在300左右，最高500次以内的铅酸蓄电池，磷酸铁锂电池在室温下1C充放电深度循环可达2000次，容量保持率80%以上，是铅酸电池的5倍，镍氢电池的4倍。

（2）能量大、密度高、体积小：相同体积的锂离子电池能量是镍氢电池的1.3倍，铅酸电池的3倍。

（3）安全性高：磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强，所以结构更加稳定，并且不易释放氧气。磷酸铁锂电池在高温下的稳定性可达40℃以上，保证了电池内在的高安全性，不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧[5]。

（4）环保性优越。磷酸铁锂电池不仅环保，而且制作上不需要加入稀有金属。磷酸铁锂不含任何（锂之外）重金属或者稀有金属，无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为环保电池。

（5）充、放电优势强。磷酸铁锂电池充电速度快，自放电少，无记忆效应。磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，2C充电30分钟内即可使电池充满95%，起动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。

2.5 燃料电池

燃料电池与常规化学能源不同，更类似于汽油或柴油发动机。它的燃料（主要是氢气）和氧化剂（纯氧气或空气）不是储存在电池内，而是存储在电池外的储罐中。它的最大特点就是反应过程中不涉及燃烧，因此其能量转换效率不受“卡洛循环”的限制，其能量转换效率可高达80%，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍，十分适用于电动汽车上[6]。但是由于其燃料含有大量的氧化剂，目前煤矿井下尚未出现以燃料电池作为电源的产品或装备。

3.结语

煤矿井下电池形式多样，但受其煤矿井下环境存在易燃易爆气体的特殊性限制，电池在实际使用过程中，其容量、结构及其管理需要特别注意。动力电池成为一种新兴蓄电池发展趋势，通过本文分析，锂离子电池，尤其以磷酸铁锂蓄电池为主，具有高能量密度、体积小、循环寿命长、安全可靠性高等优点，目前成为铅酸电池传统动力电池最好的替代产品，随着电池工艺及其防爆技术的发展，更多清洁能源型电池将运用到煤矿井下。

参考文献

[1]戴永年，杨斌，姚耀春等.锂离子电池的发展状况[J].电池，2003，35（3）.

[2]王少龙，侯明，王瑞山.动力电池的研究现状及发展趋势[J].云南冶金，2010，2：75-80.

[3]张传伟，郭卫.煤矿井下无轨胶轮电动车技术发展[J].煤矿机械，2012，6：1-3.

[4]关于矿用产品使用的镍氢蓄电池安全标志管理意见[Z].安标中心，2013.

[5]陈世全.先进电动汽车技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[6]王震坡，孙逢春.电动车辆动力电池系统及应用技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

作者简介：范领（1988―），女，河南沈丘人，助理工程师，从事矿山自动化方面的工作。