燃料电池和锂电池存在什么样的具体差异?

2020-09-03 08:30 ryder

 
新能源轿车,电池是关键部件,也决定了该新能源轿车的类别。在电动轿车中,锂电池是现阶段最为老练、功能较为安稳、运用最为广泛的动力电池
 
跟着燃料电池的不断进步,现在行业内现已形成了一些共识,新能源轿车未来将是以锂电池作为主动力电池的新能源轿车和以燃料电池为主动力电池新能源轿车共存的局势。
 
新能源轿车成为我国轿车行业未来的干流是大势所趋,那么作为未来两种新能源干流车核心的两种动力电池,各自有哪些特色以及各方面的功能比较是怎么的呢?
 
燃料电池
 
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学设备,又称电化学发电器。
 
它是按电化学原理,即原电池作业原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实践进程是氧化复原反应。
 
燃料电池首要由三部分组成,电极、电解质和外部电路。
 
燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生复原反应的电化学反应场所,首要包含阳极和阴极,厚度一般为200-500mm,其结构与一般电池的平板电极不同为多孔结构,目的是前进燃料电池的实践作业电流密度。
 
电解质起传递离子和别离燃料气、氧化气的效果。为阻挠两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。
 
外部电路一般有双极板构成,双极板具有收集电流、分隔氧化剂与复原剂、引导反应气体等效果,其功能首要取决于其资料特性、流场设计及其加工技能。
 
常用的燃料电池按其电解质不同,能够分为质子交流膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)。
 
质子交流膜燃料电池(PEMFC)因为具有多种功能优势,包含电池操作温度低、发动速度快等,是现在运用较为老练和广泛的燃料电池,在全球出货量和出货兆瓦数方面占据主导地位。
 
燃料电池的燃料首要是氢气、甲醇等碳氢化合物。本文中的燃料电池首要以氢燃料电池为例进行剖析。
 
锂电池
 
锂电池首要是指在电极资料中运用了锂元素作为首要活性物质的一类电池,首要包含锂金属电池和锂离子电池两大类。本文中讲的锂电池首要为锂离子电池。
 
锂离子电池是一种二次电池,它首要依托锂离子在正极和负极之间移动来作业,是能够充放电的电池。锂离子电池的结构首要包含正极、隔膜、负极、电解液和电池外壳。
 
正极:一般为锰酸锂或许钴酸锂,镍钴锰酸锂资料(俗称三元),纯的锰酸锂和磷酸铁锂则因为体积大、功能不好或本钱高而逐渐淡出。
 
隔膜:为一种经特别成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,能够让锂离子自在经过,而电子不能经过。
 
负极:一般为石墨,或近似石墨结构的碳。
 
电解液:是电池中离子传输的载体,一般由锂盐和有机溶剂组成,首要效果是在锂电池正、负极之间传导锂离子。
 
电池外壳:分为钢壳(方型很少运用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池运用)、铝塑膜(软包装)等,首要用来维护电池用。
 
锂离子电池依据正极资料分首要包含钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元锂、磷酸铁锂等,现在在车用方面较为老练的为磷酸铁锂电池和三元锂电池,前者的代表是比亚迪,后者为特斯拉。
 
两种电池的全方位比照
 
同为新能源电池,锂电池输入/输出电能,实践上是先将输入的电能储备起来,待到用时再经过输出的设备输出电能。
 
燃料电池其实相当于传统轿车的内燃机。内燃机烧油,仅仅能量转化设备,不是储能设备;燃料电池烧氢气,也是能量转化设备,不是储能设备。
 
而锂电池是储能设备,所以严格来说,燃料电池不是电池,是发动机。
 
因而,燃料电池是发电设备,而锂电池是储能设备。下表为两种动力电池的归纳比照,比照因素包含归纳功能方面、本钱、方针支撑、资源束缚性、环境维护、商业化程度。
 
 
 
功率密度
 
功率密度是动力电池最大输出功率与电池体系质量或体积的比值。
 
锂电池体系假如前进其输出功率使其能够高功率放电,一般解决办法是增加电池数量,这样同时会加大整个电池体系的分量,即便Tesla选用了现在能量密度最好的三元电池,其电池组件分量都挨近半吨。
 
因而锂电池体系高功率放电与高续航路程无法兼容,功率密度前进有限。
 
燃料电池本质上能够理解为以氢气为质料的化学发电体系,因而输出功率比较安稳,一般为了最大前进放电功率只要附加动力电池体系即可,如丰田Mirai配套了镍氢电池。
 
燃料电池体系作为一个敞开动力体系,输出功率前进容易,附加的电池也不会增加过多分量,丰田Mirai功率密度到达了2036W/kg。
 
能量密度
 
能量密度(Energy density)是指在必定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。
 
电池的能量密度又分为单体电芯的能量密度和电池体系的能量密度,电池体系的能量密度低于单体电芯。
 
锂电池体系归于关闭体系,因为受制于锂元素特性,已现在在锂电池中能量密度最高的三元锂电池为例,其单体能量密度也仅为1.08MJ/kg(电池包体系衰减20%)。
 
未来假如要前进锂电池的能量密度,需依托全固态电池技能的打破,但其能量密度上限也不高。
 
燃料电池体系归于敞开性体系,其能量密度实质上取决于储氢量,氢气自身的能量密度为143MJ/Kg,并且现在燃料电池体系能量密度超过350wh/kg,未来跟着储氢技能的前进,能量密度前进仍有十分大的空间。
 
 
 
可靠性
 
电池的牢靠性指的是电池发生事端导致其损失电能存储才能的概率。
 
锂电池的牢靠性与其安全性问题有很大的相关,可是却不是一个概念。锂电池发生安全性事端,必然将导致其损失电能存储才能。
 
但锂电损失电能存储才能并不都是发生安全性事端而导致,比如因为容量“跳水”导致的电池失效。
 
锂电池体系是由成百上千个单体电芯经过串并联拼装在一起的,因而整个电池体系的不牢靠性将被急剧放大。
 
从国内纯电动轿车所积累的数据来看,锂电池体系的牢靠性现在还不能令人满意。
 
而燃料电池从上个世纪70年代就现已运用于航天飞机,美国国际燃料电池公司(IFC)出产的第三代AFC(标称/极限功率7.0/12.0 KW)后来成为美国航天飞机的规范动力源。
 
现在全球正在或许行将执役的常规潜艇大多选用PEMFC(质子交流膜燃料电池)作为主动力电池体系。
 
俄罗斯、韩国、澳大利亚、以色列和意大利的新型常规潜艇都选用PEMFC燃料电池技能,大型PEMFC电堆单纯就技能层面而言现已开展到了高度完善牢靠的程度。
 
因而燃料电池具有极高的可靠性。
 
安全性
 
不管搭载锂电池的纯电动车仍是搭载燃料电池的轿车,只要是轿车那么安全性便是最重要的指标。
 
锂电池作为关闭的能量体系,从原理上高能量密度和安全性就很难兼容,假如单纯寻求高能量密度,那么整个锂电池体系就相当于炸弹。
 
因而现在干流工艺道路中,能量密度低的磷酸铁锂安全性较好,电池温度到达500~600度时才开端分化,根本不需求太多的维护辅助设备。
 
Telsa选用的三元电池能量密度虽高,但不耐高温,250~350度就会分化,安全性差。
 
其解决方法是并联了超过7000节的电池,大幅下降了单个电池漏液,爆破带来的危险。
 
可是假如剖析特斯拉轿车发生的事端,要么是细微的碰撞,要么是静态状况,但电池却着火了,因而其安全性方面还存在很多问题。
 
燃料电池自身安全性很好,其用于车载后,因而其安全性首要来自于储氢体系。
 
但经过很多的试验证明,相比汽油和天然气这两种常见的车用可燃气体,氢气的安全性并不差。
 
并且现在车用储氢设备都选用碳纤维资料,在80KM/h速度多角度碰撞测验中都能够做到毫发无损。
 
即便车祸导致走漏,因为氢气爆破要求浓度高,在爆破前一般就现已开端燃烧,反而很难爆破。
 
并且氢气分量轻,溢出体系的氢气着火后会迅速向上升起,反而必定程度上维护了车身和乘客。因而跟着商业化推动,其全体安全性是可控的。
 
 
环境温度习惯性
 
因为轿车运用地域的广泛性,关于新能源轿车而言,温度习惯性就十分重要了,其能习惯什么样的温度规划则取决于动力电池自身。
 
当时,锂电池在零度以上的生活环境中功能不会受到到影响,可是零度以下出现的问题是其急需解决的难题。
 
锂电的低温功能首要取决于温度对电极资料的电导、离子扩散系数以及电解液电导率的影响。
 
低温下电解液的粘度增大电导率下降,导致电池极化急剧增加。尤其当锂电池在挨近零度时,其功能急剧下降,-20℃简直无法正常作业。
 
并且低温下频繁充放电会严峻恶化锂电池的寿数,并且容易导致负极析出锂而带来安全隐患。
 
燃料电池在发动今后,因为电池自身的作业原理睬放热,即便是在很低的环境温度下燃料电池电堆的温度也会很快安稳在80~90℃的正常作业温度规划。
 
丰田和本田公司的燃料电池轿车现已做到了-30℃发动,可是关于燃料电池而言,依然需求继续前进其在低温下的功能,-40℃是未来的首要方针。
 
相关成本
 
动力电池涉及到了方方面面的本钱,包含耗费本钱、电池自身的本钱和基础设施本钱。
 
 
锂电池方面
 
锂电池耗费的是电,其本钱首要是电费,锂电池轿车一般百公里耗电量约为17度,依照电价依照0.5元(家庭充电)~2.2元/度电(商用)来核算,其耗费本钱为8.5~37.4元/百公里。
 
锂电池自身的成本经核算,其价格在8~9元/kwh左右。
 
锂电池车用的基础设施首要为充电站,现在单个充电站基础设施和配电设施出资在430万元左右。
 
 
燃料电池方面
 
燃料电池耗费的是氢气,耗费本钱即为氢气耗费量的价格。
 
当时我国已商业化的加氢站氢气出售价格在30~120元/公斤之间(上海驿蓝加氢站氢气价格为40~45元/公斤),依照乘用车一公斤氢气续航100公里核算,其本钱为30-120元/百公里。
 
燃料电池自身的本钱跟产量有关,因为国外燃料电池轿车相对国内较为老练,因而本钱相对较低。
 
依据相关资料核算,国外当燃料电池产量到达50万台时其本钱能够降至40美元/kW,当时国内因为产量小,电池本钱在1~1.5万/kw之间。
 
燃料电池车用的基础设施为加氢站,加氢站的建设本钱跟其加氢才能有关,一般来说,加氢才能越大,加氢站全体出资价格越高。
 
依据公开资料显现,国内500kg/d供氢才能的加氢站的出资规划在1200~1800万之间。
 
其间南海瑞晖加氢站本钱1550万元,佛罗路加氢站本钱1250万元,瀚蓝松岗禅炭路加氢站本钱为2985万元。
 
当时我国加氢站建设价格最高的为上海驿蓝金山加氢站,此加氢站也为现在全球规划最大的加氢站,总出资额5500万元。
 
方针支撑
 
不管锂电池轿车仍是燃料电池轿车,因为其各方面高额的本钱,前期开展均需求国家的大力支撑。
 
2019年3月26日,财务部、工业和信息化部、科技部和开展变革委四部委联合发布了《关于进一步完善新能源轿车推广运用财务补助方针的告诉》。
 
重点内容包含:
 
1、国补力度大幅退坡,补助基数归纳下降程度超50%;
 
2、2019年3月26日至2019年6月25日为过渡期,期间按2018年补助的0.1倍和0.6倍进行补助;
 
3、过渡期后地补取消,转为支撑充电(加氢)等配套设施;
 
4、电池技能要求更高,但调整系数下修。
 
该方针中与燃料电池相关的有:
 
1、3月26日—6月25日为过渡期,期间出售上牌的燃料电池轿车按2018年对应规范的0.8倍补助;
 
2、燃料电池轿车和新能源公交车补助方针另行发布;
 
3、地方补助需支撑加氢基础设施“短板”建设和配套运营服务;
 
4、连续2018年预拨资金方针,从2019年开端有运营路程要求的车辆完结出售上牌后即预拨一部分补助资金。
 
并且最近工信部正联合其他部委,酝酿研讨针对燃料电池的新补助方针。据了解,相关补助思路并不是像之前那样补到整车厂,而是考虑补助出产核心部件的厂家。
 
从以上能够看出,纯电动的补助在逐渐下滑,燃料电池方面补助力度依然较大,并且从最近方针动态看,国家十分重视燃料电池轿车的开展将使其逐渐走向正规。 
 
 
 
环境维护
 
锂电池的质料为电力,现在我国电力结构中依然以煤电为主,煤电近些年经过改造在污染排放方面取得了十分大的前进,但仍无法做到零排放、零污染,因而锂电池的运用从必定程度上来讲是有必定的污染性的。
 
燃料电池的质料为氢气,氢气的制取道路众多,跟着未来燃料电池轿车的开展,我国又是可再生能源榜首大国,未来氢气将根本由可能生能源来制取,因而能够说是真正的零污染、零排放。
 
 
资源束缚
 
关于锂电池而言,资源来历首要是锂矿石,锂的全球储量是1400万吨, 2017年以电动车为主的锂耗费量约23万吨。
 
跟着全世界新能源纯电动轿车的快速开展,假设2020年全球新能源轿车销量到达500万辆,全球锂资源折合为碳酸锂当量其需求将到达46.6万吨。
 
跟着锂资源的紧缺,其价格也将水涨船高,也将是限制电动轿车开展的隐性因素,因而未来锂资源量很难支撑电动轿车的快速开展。
 
燃料电池在资源方面的束缚首要是铂金。铂金被广泛运用于轿车、工业、首饰及出资范畴。
 
数据计算,铂金在轿车催化剂范畴的运用份额最高,占到总需求的37~41%,是铂金榜首大耗费运用。
 
燃料电池的催化剂要用到贵金属铂,市场普遍忧虑其资源束缚。
 
现在每辆氢燃料电池轿车铂的运用量为20克~30克,丰田Mirai单车铂耗费量约为20g,跟着技能的前进,铂金作为燃料电池催化剂用量近些年在不断下降。
 
丰田计划在未来将铂单耗下降75%,并完结催化剂的铂收回。因而未来铂金关于燃料电池的开展不会发生阻碍。
 
 
商业化程度
 
锂电池在我国以及全世界规划内的运用十分老练。在车用方面,电动车从2013~2015年是从0到1的进程,从2016~2018年完结了从1到10,电动轿车销量不断攀升,现在产业链十分老练,现已彻底的完结了商业化。
 
燃料电池现在不管是车用仍是其他运用方面均不是十分老练,燃料电池作为车用是我国以及全世界首要的运用方向。
 
2018年全年我国燃料电池轿车产销仅完结1527辆,可是2019年1-6月份,燃料电池轿车产销别离完结1170辆和1102辆,比上年同期别离增加7.2倍和7.8倍,开展十分迅速。
 
可是因为燃料电池自身存在本钱较高、基础设施不完善等因素,燃料电池运用最老练的日本也未能完结彻底的商业化,我国更是处于商业化的初期。
 
总 结
 
锂电池和燃料电池,两者在功能、制作、本钱、运用等方面都既有优势又有缺陷,在不同场景下运用不同的轿车,能够使我国的新能源轿车布局愈加合理完善。
 
经过两种电池的特功能够得知,纯电动愈加契合短途,现在产业链配套开展也较为老练,在相当长的一段时间内,干流地位难以被撼动。
 
而燃料电池车会在长续航路程需求迫切、能够集中运用加氢站的客车、重卡乃至船舶、军工等范畴取得一席之地。

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