動力型鋰離子電池與燃料電池發展現狀與展望

趙紅光，李 靜，張洪凱，華周發

(1.山東聊城中通輕型客車有限公司 山東 聊城 252000； 2.山東魔方新能源科技有限公司 山東 聊城 252000)

1 引言

隨著經濟的不斷發展，全球汽車保有量不斷增加。燃油的大量消耗使得能源危機變得日益嚴重，并且汽車尾氣排放使得環境污染程度也越來越嚴重。因此，近些年來許多汽車企業著重于新能源汽車的研究，試圖代替內燃機的使用。新能源汽車的發展越來越快，以Tesla為代表的電動汽車風光無限，而以豐田Mirai為代表的燃料電池車最近也是備受關注。鋰離子電池和燃料電池作為電動汽車和燃料電池車的核心零部件，對其發展起決定性作用。

動力型鋰離子電池已經一定程度商業化。2016年國內動力電池出貨量是28GWh，磷酸鐵鋰電池依舊是市場主力占20GWh，三元材料電池僅為6.3GWh，其他為錳酸鋰、鈦酸鋰、鎳氫電池、超級電容等其他材料電池。國內動力型鋰電池廠家數量預計在150家左右，出貨量排名前三分別為比亞迪，CATL和沃特瑪[1]。而燃料電池目前尚未商業化。相關的企業僅有北京億華通，新源動力，上汽集團，武漢理工新能源等為數不多的幾家。

本文從工作原理、性能、安全性等方面介紹了鋰離子電池與燃料電池的特點，加深對其的理解與認識。

2 鋰離子電池與燃料電池的工作原理

鋰離子電池是一種儲能裝置，目前常用的鋰離子電池按正極材料可以分為磷酸鐵鋰(LFP)電池、三元(NCM)電池和錳酸鋰(LMO)電池[2]。以磷酸鐵鋰電池為例：放電時正極中的磷酸鐵和從負極經過電解液傳到過來的鋰離子以及外部電路傳導過來的電子結合生成磷酸鐵鋰，負極石墨層中所嵌的鋰脫出，變成鋰離子和電子分別經過電解液和外部電路傳導到正極。

燃料電池其本質是一種發電機，其燃料和氧化劑不經過燃燒而直接通過電化學反應轉化成電能。因此，燃料電池不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高。燃料電池作為電能轉化裝置時，它的效率可以達到60%，甚至在作為熱電聯產裝置時它的效率高達80%[3]。燃料電池按照其電解質的不同分為堿性燃料電池(AFC)，磷酸型燃料電池(PAFC)，固體氧化物燃料電池(SOFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)，質子交換膜燃料電池(PEMFC)[4]。不同類型的燃料電池應用領域和使用環境不同，質子交換膜燃料電池的使用溫度范圍為室溫至80℃左右，目前在燃料電池車上使用的基本都是這種類型。以質子交換膜燃料電池為例，發電時，正極氧氣和從負極傳導過來的氫離子以及外部電路傳導過來的電子結合生成水，負極氫原子失去電子變成氫離子和電子分別經過電解質和外部電路傳到正極。鋰離子電池和燃料電池基本原理、正負極材料等如表1所示。

表1 鋰離子電池和燃料電池工作原理和組成材料Table 1 Principle and components of Lithium-ion battery and fuel cell

3 鋰離子電池與燃料電池的主要技術特性

3.1 性能

鋰離子電池和燃料電池內部發生的化學反應已經決定了電池的可逆電動勢。對于一個電化學反應，其可逆電動勢可由公式(1)計算為：

(1)

其中ΔG是在標準狀態下電化學反應的吉布斯自由能的變化，吉布斯自由能的變化反映了電化學反應在熱力學上的可能性，ΔG 的大小由反應本身的性質、反應物和生成物的濃度以及反應溫度決定。n為每摩爾反應物轉移的電子摩爾數，F為法拉第常數。在標準狀態下燃料電池的可逆電動勢為1.25V左右，可逆電動勢隨溫度升高而降低[5]。而對于鋰離子電池，由于在反應過程中正負極材料的結構不斷發生變化，因此其可逆電動勢也不斷變化，電池的可逆電動勢與反應發生的程度有對應的關系，因此可以根據OCV-SOC曲線，通過測量OCV判斷電池的荷電狀態。燃料電池和鋰離子電池在實際使用過程中性能曲線如表2所示。

表2 鋰離子電池與燃料電池性能Table 2 Performance of lithium-ion battery and fuel cell

3.2 能量密度

電動汽車完全以電池作為動力，更強調充電后的續駛能力，因而更關注電池的能量密度。鋰離子電池能量密度提升受制于電池材料理論瓶頸。目前，國內電動汽動力型動力電池正極材料以磷酸鐵鋰(LFP)為主，負極材料仍主要采用石墨材料，其比能量約為 90～140Wh/kg[11]。而燃料電池是一種發電裝置，能量密度遠高于鋰離子電池。在與能量密度直接對應的整車續駛里程方面，頂級豪華電動汽車Tesla的續駛里程剛達到500km；而以豐田Mirai、現代ix35為典型代表的燃料電池車續駛里程都在500km以上。因此在能量密度方面，燃料電池比鋰離子電池好。

3.3 壽命

燃料電池和鋰離子電池的性能都會隨著電池使用程度的加深而變差。并且汽車的起停和加減速工況占總工況的很大一部分，這使得電池工作電流區間跨度大，且電流變化率也非常大，這無疑會縮短電池壽命。因此，對動力型燃料電池和鋰離子電池的壽命問題進行研究成為其使用關鍵問題之一。

表3 燃料電池和鋰離子電池壽命、衰減機理及原因Table 3 Aging Cause and mechanism of lithium-ion battery and fuel cell

3.4 成本

目前，國內鋰離子電池系統的成本在1800元/kWh左右，燃料電池堆(不含系統中的燃料系統等各種附件)的成本在5000元/kW左右。對于一輛普通轎車，假設是電動汽車，電量配置60kWh(BYD E6配置60kWh)其成本在9.6萬元。如果是燃料電池車，功率配置100kW(豐田Mirai配置114kWh)，電堆成本在50萬左右。

燃料電池的成本目前明顯高于鋰離子電池，這是限制燃料電池發展的瓶頸。一般認為，燃料電池的成本偏高主要是由于使用了貴金屬Pt，而實際Pt的成本計算如下：目前較高的Pt載量的水平為：0.4mg/cm2，其電性能水平為1600Ma@0.6V/cm2，即0.96W/cm2。對于100kW的燃料電池系統中使用的Pt含量為41.67g。Pt的價格按照500元/g計算，使用的Pt的成本為41.67×500=20833元。對于100kW的燃料電池堆的成本在50萬元以上，Pt的成本只占總成本的4%左右。燃料電池的成本主要是因為目前材料和系統的工藝都不太成熟，而隨著商業化的發展，其成本必然有非常大幅度下降。

3.5 安全性與相關法規

動力電池的安全性是電動汽車發展過程中首先需要考慮和解決的問題。動力型鋰離子電池安全性的提高需要建立從材料、電池及關鍵部件到系統安全保障等一系列技術措施。隨著單體電池的大型化和成組化使用，動力型鋰離子電池系統安全問題面臨著新的挑戰。而燃料電池的燃料是氫氣，屬于易燃易爆氣體，因此市場普遍擔心其的安全性問題，而實際上氫氣的安全性相較于汽油和天然氣并不差。

單體層級燃料電池的安全設計少于鋰離子電池。系統集成層級燃料電池系統比鋰離子電池系統復雜。由于使用了可燃氣體氫氣，多了對氫氣的泄露保護設計。由于需要防止質子交換膜潤濕不充分帶來的影響，需要通過監控內阻來監控內部濕度的變化。燃料電池和鋰離子電池相關安全性設計如表4所示。

表4 燃料電池和鋰離子電池安全性設計Table 4 Safety design of lithium-ion battery and fuel cell

表5 燃料電池和鋰離子電池相關標準Table 5 Standards of lithium-ion battery and fuel cell

動力型鋰離子電池的還原劑和氧化劑都存儲在同一個裝置中，之間僅有一層微米級別厚度的隔膜，而燃料電池的還原劑和氧化劑在電池外部分開放置。從原理上講，燃料電池的安全性優于鋰離子電池。通過一系列的安全防護，兩種電池的安全性都在可接受的程度。

為了保證動力電池的安全性，國家針對動力型鋰離子電池和燃料電池制定了一系列的標準，從而確保動力電池的安全性、可靠性。如表5所示，燃料電池相對鋰離子電池的標準偏少，發行時間早，標準與現狀符合性不如鋰離子電池。電動汽車有對應的定型試驗規程《GB/T 18388—2005電動汽車定型試驗規程》，而燃料電池車定型規程作為汽車行業對于新能源汽車產品定型的一個必備標準急待推出。

4 前景及展望

綜合來看，在能量密度、壽命和安全性方面燃料電池優于鋰離子電池；而在成本方面，燃料電池比不上鋰離子電池。目前鋰離子電池的關鍵技術為能量密度提升，安全性，熱管理，系統集成優化控制等；燃料電池的關鍵技術有耐久性，冷啟動，系統集成優化控制等。無論燃料電池還是鋰離子電池，相關的技術均有大量進步的空間。對于鋰離子電池來說，如果其能量密度能夠進一步提高，循環壽命能夠更長，則也是一種非常優秀的驅動能源。如果燃料電池的成本能夠降低，則能夠真正作為汽油/柴油燃料的替代能源。能量密度的提升面臨基礎學科領域的瓶頸，很難得有質的提升；而成本的降低，可以通過商業化解決。因此短期來看，鋰離子電池比燃料電池更適用；長期來看，燃料電池比鋰離子電池更有發展前景。

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