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比較分析燃料電池和鋰電池兩種電池的性能

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:781次  |  2018年10月09日  

機(jī)動(dòng)車(chē)性能主要為續(xù)航能力、充電/充氫時(shí)間、輸出功率和安全性等。燃料電池能量密度遠(yuǎn)高于鋰電池,相應(yīng)電池容量,快充能力和續(xù)航里程就具備了天然的優(yōu)勢(shì),即使是和鋰電池的頂級(jí)豪車(chē)Tesla相比也是大幅領(lǐng)先。但其功率密度不高,最大輸出功率取決于輔助的動(dòng)力電池系統(tǒng),相應(yīng)最高時(shí)速和百公里加速指標(biāo)和鋰電池相差不大。為了便于比較,我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車(chē),對(duì)應(yīng)45度鋰電池車(chē)和輸出功率100KW燃料電池車(chē)作為分析基準(zhǔn)。

能量密度比較

鋰電池作為蓄電池的一種,是個(gè)封閉體系,電池只是能量的載體,必須提前充電才能運(yùn)行,其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極,所以提高能量密度就要不斷升級(jí)正極材料,如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。但鋰已經(jīng)是原子量最小的金屬元素,比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極,但能量密度其實(shí)也只有汽油的1/4,而且商業(yè)化的技術(shù)難度極大,幾十年內(nèi)都無(wú)望突破。因此鋰電池能量密度提升受制于理論瓶頸,空間非常有限,最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG,即使達(dá)到也只有燃料電池的1/120,可謂輸在起跑線上。

體積能量密度比較

燃料電池的原料氫氣主要缺點(diǎn)就是體積能量密度不高,現(xiàn)在基本上是采用加壓來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。按照現(xiàn)行的700個(gè)大氣壓的加壓模式,其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里,燃料電池儲(chǔ)氫罐體積為100L,重量為30KG,對(duì)應(yīng)汽油車(chē)油箱為30L,但電動(dòng)機(jī)體積比內(nèi)燃機(jī)小80L,總體積相差不大。鋰電池車(chē)分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術(shù)路線,代表企業(yè)為T(mén)esla和比亞迪。三元能量密度更高,但安全性差,需要輔助的安全保護(hù)設(shè)備,跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L,重量為0.4噸和0.6噸,都遠(yuǎn)高于燃料電池。展望未來(lái)如果儲(chǔ)氫合金和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)能夠突破,燃料電池體積能量密度將分別增加1.5倍和2倍,優(yōu)勢(shì)會(huì)更為明顯。

燃料電池vs鋰電池性能比較

功率密度比較

燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng),因此輸出功率比較穩(wěn)定,為了最大提高放電功率必須附加動(dòng)力電池系統(tǒng),如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個(gè)開(kāi)放的動(dòng)力系統(tǒng),其能量來(lái)自于外部輸入,附加的鎳氫電池不需要考慮儲(chǔ)能的問(wèn)題,只要5-8度就能滿足需求,對(duì)電池壽命的要求也不高,在真實(shí)工況下的使用限制很少。鋰電池雖然理論放電效率很高,但為了不傷害電池壽命,使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電,快速放電只適用0-80%這個(gè)區(qū)間。即使如此,以5C倍率放電,實(shí)驗(yàn)室中的電池循環(huán)壽命也會(huì)縮短到只有600次,真實(shí)工況下會(huì)進(jìn)一步降至400次,如Telsa即使最大功率可達(dá)310KW,但實(shí)際放電倍率也只有4C。而且鋰電池作為能量密度不高的封閉儲(chǔ)能體系,高功率放電和高續(xù)航里程基本很難兼容,除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池,其電池組件重量都接近半噸。

安全性比較

除了上述指標(biāo),安全性對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)無(wú)疑也非常關(guān)鍵。鋰電池作為封閉的能量體系,從原理上高能量密度和安全性就很難兼容,否則就等同于炸彈。因此現(xiàn)在主流工藝路線中,能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好,電池溫度達(dá)到500-600度時(shí)才開(kāi)始分解,基本不需要太多的保護(hù)輔助設(shè)備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高,但不耐高溫,250-350度就會(huì)分解,安全性差。其解決方法是并聯(lián)了超過(guò)7000節(jié)電池,大幅降低了單個(gè)電池漏液,爆炸帶來(lái)的危險(xiǎn),即使如此也還需要結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備。并且前期發(fā)生的幾次事故,雖然得益于Telsa的安全設(shè)計(jì)并沒(méi)有出現(xiàn)人員傷亡,但就事故本身而言,其實(shí)都是非常輕微的碰撞,車(chē)身也沒(méi)有收到什么傷害,但電池卻著火了,也側(cè)面反映了其安全性上天然的劣勢(shì)。

燃料電池由于原料氫氣易燃易爆,市場(chǎng)普遍擔(dān)心其安全性問(wèn)題。但如我們下表的數(shù)據(jù),相比汽油蒸汽和天然氣這兩種常見(jiàn)的車(chē)用可燃?xì)怏w,氫氣的安全性并不差,甚至還略好?,F(xiàn)在車(chē)用儲(chǔ)氫裝置都采用碳纖維材料,在80KM/h速度多角度碰撞測(cè)試中都可以做到毫發(fā)無(wú)損。即使車(chē)禍導(dǎo)致泄露,由于氫氣爆炸要求濃度高,在爆炸前一般就已經(jīng)開(kāi)始燃燒,反而很難爆炸。而且氫氣重量輕,溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會(huì)迅速向上升起,反而一定程度上保護(hù)了車(chē)身和乘客。而汽油為液態(tài),鋰電池為固態(tài),很難在大氣中上升,燃燒都在車(chē)艙底部,整車(chē)會(huì)迅速著火報(bào)廢。氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)其實(shí)和LNG非常類(lèi)似,只是所需壓力更大,隨著商業(yè)化推進(jìn),其整體安全性也還是可控的。

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