燃料電池和鋰電池有什么差異？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-11-15 16:32
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燃料電池vs鋰電池性能比較
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。
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)。
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。
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)。
