淺談磷酸鐵鋰電池在航標(biāo)能源系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊清玲+常鵬+吳林勝

摘 要：航標(biāo)，在船舶航行過(guò)程中具有十分重要的作用。良好的航標(biāo)助航效能對(duì)于確保船舶航行安全、保護(hù)海洋環(huán)境具有積極的促進(jìn)作用。本文首先對(duì)磷酸鐵鋰電池的性能特點(diǎn)進(jìn)行了概述，隨后提出了航標(biāo)能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)費(fèi)效分析，得出了磷酸鐵鋰電池在航標(biāo)能源系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。旨在為航標(biāo)工作人員提供一些拓寬新能源應(yīng)用的思路，進(jìn)一步拓寬航標(biāo)能源新材料的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新能源 磷酸鐵鋰電池 航標(biāo)能源系統(tǒng) 電池壽命

1.引言

2015年10月以來(lái)，我國(guó)相繼在南海5個(gè)島礁上建設(shè)了5座大型燈塔。社會(huì)各界對(duì)于我國(guó)航標(biāo)事業(yè)的發(fā)展，特別是航標(biāo)能源系統(tǒng)的關(guān)注程度越來(lái)越高。同陸地上的公路相同，大海中的航道為船舶的安全航行提供了可靠的線路。而船舶安全航行的前提就是航標(biāo)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。長(zhǎng)久以來(lái)，鉛酸電池是航標(biāo)能源系統(tǒng)里首選的儲(chǔ)能設(shè)備。然而近年來(lái)，隨著純電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池等新能源在不同行業(yè)中的應(yīng)用，如何將新能源鋰電池應(yīng)用到航標(biāo)能源系統(tǒng)中，成為相關(guān)領(lǐng)域工作人員關(guān)注的重點(diǎn)之一。筆者在近年的航標(biāo)工作中，嘗試過(guò)三元材料鋰電池、磷酸鐵鋰電池等的試用，本文著重討論磷酸鐵鋰電池在航標(biāo)能源系統(tǒng)中的使用。

2.磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)

2.1磷酸鐵鋰電池的工作原理

相對(duì)于其他電池而言磷酸鐵鋰電池具有更加環(huán)保和安全的性能，同時(shí)因其材料來(lái)源安全可靠，所以具有更加良好的循環(huán)使用壽命。磷酸鐵鋰電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，即便發(fā)生過(guò)充電的情況也不會(huì)產(chǎn)生游離氧，在所有種類的鋰離子電池當(dāng)中，具有最佳的安全性能。在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下，磷酸鐵鋰電池的性能也在不斷改善，成為了動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池的首選材料。作為鋰離子電池中的一種，磷酸鐵鋰電池的材料正極為L(zhǎng)iPePO4，負(fù)極材料為石墨。正極和負(fù)極之間的分隔通過(guò)聚合物隔膜實(shí)現(xiàn)，并且磷酸鐵鋰電池的充放電過(guò)程是可逆的。

2.2磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段，市面上可以應(yīng)用于航標(biāo)系統(tǒng)的電池主要為鉛酸電池、錳酸鋰電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池等。通過(guò)對(duì)以上幾種類型的電池循環(huán)性能與安全性能進(jìn)行比較可以得出，磷酸鐵鋰電池不論是在安全性還是在循環(huán)性等方面都具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于其他幾種不同類型的電池而言，磷酸鐵鋰電池具有更加安全的性能，并且使用壽命也較長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)試用證實(shí)，磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數(shù)至少可以達(dá)到2500次，按照每天進(jìn)行一次充放電計(jì)算，磷酸鐵鋰電池的理論使用時(shí)間可以達(dá)到8年。

2.3航標(biāo)能源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.3.1航標(biāo)能源系統(tǒng)鉛酸電池壽命較短

傳統(tǒng)的航標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)中，電池主要為鉛酸電池。鉛酸電池雖然也具有較好的應(yīng)用效果，但是相對(duì)于磷酸鐵鋰電池而言，前者的使用壽命仍然無(wú)法達(dá)到航標(biāo)能源系統(tǒng)的應(yīng)用需求。據(jù)調(diào)查顯示，鉛酸電池的平均使用壽命為2年到3年，因此，用鉛酸電池作為航標(biāo)儲(chǔ)電器材的話，需要經(jīng)常更換電池。這對(duì)于航標(biāo)工作人員來(lái)說(shuō)，極大地增加了工作負(fù)擔(dān)。

2.3.2航標(biāo)能源系統(tǒng)中電能年限無(wú)法準(zhǔn)確判斷

除了電池需要定期更換之外，航標(biāo)能源系統(tǒng)當(dāng)中的太陽(yáng)能電池（硅板）在經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的使用之后也需要更新。但工作人員無(wú)法憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)電池和硅板的使用狀況進(jìn)行判斷，因此無(wú)法了解電池與硅板是否可以維持正常的工作需求。據(jù)筆者了解，目前我國(guó)還沒(méi)有專門(mén)用于檢測(cè)電池與硅板使用情況的設(shè)備。常規(guī)做法是通過(guò)肉眼觀察和經(jīng)驗(yàn)，判斷壽命達(dá)到極限后即做丟棄處理。此種行為不僅會(huì)對(duì)資源和環(huán)境造成浪費(fèi)與破壞，而且不利于航標(biāo)供電系統(tǒng)的可持續(xù)化發(fā)展，造成了人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。

3.磷酸鐵鋰電池在航標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用策略

3.1建立完善的新能源鋰電池應(yīng)用制度

為了使航標(biāo)發(fā)揮更好的助航效能，需要進(jìn)一步增強(qiáng)科技含量以及新科技的應(yīng)用水平。在現(xiàn)有科技發(fā)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高航行安全的服務(wù)保障能力，促進(jìn)新能源在航標(biāo)上的應(yīng)用，增強(qiáng)航標(biāo)能源系統(tǒng)備品的安全性與穩(wěn)定性。例如，在鋰電池的應(yīng)用制度的制定方面，可以通過(guò)加強(qiáng)新能源產(chǎn)品的檢測(cè)機(jī)制，積極開(kāi)展新能源電池的使用標(biāo)準(zhǔn)研究制訂。以IALA（國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)）的《關(guān)于助航設(shè)備的質(zhì)量保障規(guī)范與試驗(yàn)程序使用說(shuō)明》為例，國(guó)際上針對(duì)航標(biāo)領(lǐng)域制定出了相對(duì)完備的發(fā)展規(guī)劃，為我國(guó)在航標(biāo)領(lǐng)域的新能源磷酸鐵鋰電池使用提供了強(qiáng)有力的支撐。在此基礎(chǔ)上，我們還可以對(duì)航標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化，為航標(biāo)能源系統(tǒng)的檢測(cè)工作提供制度依據(jù)。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行的航標(biāo)管理制度，加強(qiáng)對(duì)航標(biāo)系統(tǒng)新能源磷酸鐵鋰電池的使用管理，提高故障檢測(cè)和預(yù)防的能力，為航運(yùn)事業(yè)平穩(wěn)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

3.2加強(qiáng)航標(biāo)能源系統(tǒng)的檢測(cè)與管理

在新能源磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用過(guò)程中，需要時(shí)刻關(guān)注系統(tǒng)對(duì)新能源的適應(yīng)程度，以及磷酸鐵鋰電池應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)航標(biāo)能源系統(tǒng)的檢測(cè)與管理，全面提高航標(biāo)供電系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)這一問(wèn)題，某海區(qū)的航標(biāo)管理部門(mén)建立起了專門(mén)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，用于對(duì)航標(biāo)能源系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和管理。該航標(biāo)處通過(guò)設(shè)置了值班室，配合航標(biāo)運(yùn)行信息化系統(tǒng)，提高對(duì)航標(biāo)電池運(yùn)行狀況的監(jiān)管能力。該航標(biāo)處在進(jìn)行新能源磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)以及浮標(biāo)應(yīng)用研究時(shí)，通過(guò)將具有雙向收發(fā)功能的遙測(cè)數(shù)據(jù)終端安裝在浮標(biāo)之上，實(shí)現(xiàn)了控制中心對(duì)航標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)當(dāng)中所應(yīng)用的航標(biāo)能源系統(tǒng)可以在電池運(yùn)行的過(guò)程中，將電壓和電流數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，并通過(guò)運(yùn)營(yíng)商等第三方搭建的機(jī)房控制數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中顯示和存儲(chǔ)，確?？刂浦行牡墓芾砣藛T對(duì)航標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3做好費(fèi)效分析，進(jìn)而推動(dòng)新能源鋰電池在航標(biāo)上的應(yīng)用

相比鉛酸電池而言，新能源磷酸鐵鋰電池雖然有諸多優(yōu)勢(shì)，但高昂的造價(jià)令相當(dāng)一部分有志于做新材料、新技術(shù)研究的航標(biāo)工作人員望而卻步。目前市場(chǎng)上的航標(biāo)用鉛酸電池為每塊700-1200元，而同樣規(guī)格的磷酸鐵鋰電池每塊就需要3000-5000元。如此巨大的懸殊，在我們現(xiàn)行的采購(gòu)制度約束下，的確沒(méi)有辦法大面積推廣應(yīng)用。但可以從以下方面做一些費(fèi)效分析（Cost-Benefit Analysis），從而證明鋰電池應(yīng)該有推廣前景。

① 減輕一線航標(biāo)工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度

傳統(tǒng)的12V100AH鉛酸電池重量大約為35kg左右，而同規(guī)格的磷酸鐵鋰電池重量?jī)H為其1/6。這對(duì)于一線工作人員無(wú)疑是巨大的福音，對(duì)于減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少因電池更壞帶來(lái)的安全隱患有著重要意義。

② 助力打造環(huán)境友好型社會(huì)

新時(shí)代，我國(guó)對(duì)構(gòu)建環(huán)境友好型社會(huì)越來(lái)越重視。而傳統(tǒng)鉛酸電池內(nèi)含大量的重金屬以及廢酸、廢堿等電解質(zhì)溶液，這些會(huì)造成江河湖海等水體污染，危及到水生物的生存和水資源的利用，同時(shí)也威脅到人類的健康。而磷酸鐵鋰電池使用壽命約是鉛酸電池的4倍，對(duì)環(huán)境相對(duì)友好。

4.總結(jié)

綜上所述，航標(biāo)主要依靠太陽(yáng)能等相對(duì)穩(wěn)定的能源供給實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航助航功能，但是長(zhǎng)時(shí)間使用鉛酸電池對(duì)環(huán)境有一定污染，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)電池狀態(tài)，而且讓一線工作的航標(biāo)職工存在安全隱患。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，技術(shù)人員通過(guò)將新能源磷酸鐵鋰電池應(yīng)用到航標(biāo)供電系統(tǒng)中，極大地增強(qiáng)了航標(biāo)能源系統(tǒng)的工作可靠性、減輕一線航標(biāo)職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，為船舶安全航行提供了可靠的保障。

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