燃料電池(FC)是直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軉?？電池的能量密度越大體積也會(huì)越大嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-14 16:56
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2.2燃料電池發(fā)電技術(shù)
燃料電池(FC)式直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b配。燃料電池發(fā)電效率高，功率可達(dá)600/o以上，若是高溫燃料電池配和聯(lián)合輪回，效率可達(dá)85%。而且，效率受燃料電池規(guī)模和負(fù)荷年夜小影響步年夜。燃料電池發(fā)電出力能快速跟蹤負(fù)荷變化，速度可達(dá)每秒變化全負(fù)荷的500/o，調(diào)峰能力極強(qiáng)。
FC發(fā)電的重要優(yōu)點(diǎn)是堆情況污染很小，由于沒(méi)有燃燒進(jìn)程，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)上的零排放。燃料電池另—達(dá)優(yōu)點(diǎn)式省水。這對(duì)水資本缺少的我國(guó)而言極為重要。此外，燃料電池發(fā)電尚有適合散布式供電，節(jié)省輸電投資，模塊結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)建等等優(yōu)點(diǎn)。
2.3靈活的多謝L輸電技術(shù)
靈活的交流輸電系統(tǒng)(FACTS)80年帶后期泛起的新技術(shù)，近年來(lái)再全球E成長(zhǎng)迅速。專(zhuān)家們預(yù)，未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將在電力輸送和分配方面將引發(fā)重年夜變化，對(duì)于充實(shí)哄騙現(xiàn)有電網(wǎng)資本和實(shí)現(xiàn)電能的高效哄騙，將會(huì)闡揚(yáng)重要作用。
所謂“靈活的交流輸電技術(shù)”是指：采用年夜功率電子器件作為年夜功率高壓開(kāi)關(guān)，與其他電力裝備組成FACTS裝備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)，如線路阻抗、相位角、功宰潮水的接連調(diào)理控制，從而年夜幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，下降輸電消耗。
2.4電能貯存技術(shù)
電能貯存是實(shí)現(xiàn)電能高效哄騙的重要途徑。除抽水蓄能方式之外，實(shí)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)要數(shù)電池儲(chǔ)能(BESS)。它的焦點(diǎn)部件是蓄電池和GTO一類(lèi)的器件組成的交直流變換器。電池蓄能系統(tǒng)既可作為旋轉(zhuǎn)備用，也能夠作為調(diào)峰和R局頻電源，或直接安裝在重要用戶(hù)內(nèi)，作為年夜型的不中斷電源。同時(shí)，BESS還具有無(wú)功調(diào)理的功能。
2.5電能質(zhì)量控制技術(shù)
電能的高效哄騙的一個(gè)重要內(nèi)容是向用戶(hù)提供靠得住的、優(yōu)質(zhì)的電能供給?，F(xiàn)代社會(huì)的成長(zhǎng)對(duì)提高供電的靠得住性，改善電能質(zhì)量：提出了越來(lái)越高的要求。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)支器、機(jī)械人、自動(dòng)生產(chǎn)線、細(xì)密的加工工具的采用，由于可編程控制器、計(jì)較機(jī)信窟系統(tǒng)的日益普遍使用，對(duì)電能質(zhì)量的控制提出了嚴(yán)酷的要求。這些裝備對(duì)電源的波動(dòng)和各類(lèi)干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會(huì)造成產(chǎn)物質(zhì)量的下降，從而發(fā)生重年夜損失。
3現(xiàn)代電力電子技術(shù)新運(yùn)用領(lǐng)域展看
1)機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的機(jī)電與專(zhuān)用的電力電子控制裝備，提高電能哄騙效率：2)電動(dòng)車(chē)輛及充電站網(wǎng)絡(luò)，電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)用已成為環(huán)保的—個(gè)重要課題，而其充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)還處于初步階段，是以會(huì)有很年夜成長(zhǎng)空間;3)中高壓直流輸配電系統(tǒng)，它有功率因數(shù)高、電網(wǎng)污染小、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)：4)電能貯存裝配，哄騙電力電子技術(shù)將電能貯存與蓄電池或超導(dǎo)線圈中，可以實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)，對(duì)不能電能的合理哄騙提供解決方案。
可以說(shuō)，能量密度是制約當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。不管是手機(jī)，還是電動(dòng)汽車(chē)，人們都期待電池的能量密度能夠達(dá)到一個(gè)全新的量級(jí)，使得產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間或續(xù)航里程不再成為困擾產(chǎn)品的主要因素。
從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升?？墒翘嵘乃俣认鄬?duì)于工業(yè)規(guī)模的發(fā)展速度而言，相對(duì)于人類(lèi)對(duì)能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類(lèi)的進(jìn)步都被卡在“電池”這兒了。當(dāng)然，如果哪一天能夠?qū)崿F(xiàn)全球電力無(wú)線傳輸，到哪兒都能“無(wú)線”獲得電能（像手機(jī)信號(hào)一樣），那么人類(lèi)也就不再需要電池了，社會(huì)發(fā)展自然也就不會(huì)卡在電池上面。
針對(duì)能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國(guó)都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國(guó)政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標(biāo)，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當(dāng)于在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。2030年的遠(yuǎn)期目標(biāo)，則要達(dá)到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業(yè)必須要有化學(xué)體系的重大突破，才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現(xiàn)有的化學(xué)體系和結(jié)構(gòu)而言，具體都有哪些明顯的限制呢？
前面我們分析過(guò)，充當(dāng)電能載體的，其實(shí)就是電池當(dāng)中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩(wěn)定的、持續(xù)的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個(gè)例子，一塊鋰離子電池當(dāng)中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點(diǎn)，其余99%的成分都是不承擔(dān)能量存儲(chǔ)功能的其他物質(zhì)。愛(ài)迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來(lái)這個(gè)道理放之四海皆準(zhǔn)啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個(gè)都不行。
那么要提高能量密度，我們首先想到的就是提高鋰元素的比例，同時(shí)要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來(lái)，移動(dòng)到負(fù)極，然后還得從負(fù)極原數(shù)返回正極（不能變少了），周而復(fù)始的搬運(yùn)能量。
1.提高正極活性物質(zhì)的占比
提高正極活性物質(zhì)占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個(gè)電池化學(xué)體系中，鋰元素的含量上去了（其他條件不變），能量密度也會(huì)有相應(yīng)的提升。所以在一定的體積和重量限制下，我們希望正極活性物質(zhì)多一些，再多一些。
2.提高負(fù)極活性物質(zhì)的占比
這個(gè)其實(shí)是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負(fù)極活性物質(zhì)來(lái)容納游過(guò)來(lái)的鋰離子，存儲(chǔ)能量。如果負(fù)極活性物質(zhì)不夠，多出來(lái)的鋰離子會(huì)沉積在負(fù)極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學(xué)反應(yīng)和電池容量衰減。
3.提高正極材料的比容量（克容量）
正極活性物質(zhì)的占比是有上限的，不能無(wú)限制提升。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學(xué)反應(yīng)，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對(duì)于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標(biāo)要高。
這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是奔著這個(gè)目標(biāo)去的。
前面已經(jīng)分析過(guò)，鈷酸鋰可以達(dá)到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實(shí)際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元?jiǎng)t可以達(dá)到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正極材料，并取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。
4.提高負(fù)極材料的比容量
相對(duì)而言，負(fù)極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進(jìn)一步提升負(fù)極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負(fù)極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達(dá)到提升能量密度的目標(biāo)。
以石墨類(lèi)碳材料做負(fù)極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎(chǔ)上研究的硬碳材料和納米碳材料，則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負(fù)極材料，也可以將負(fù)極的比容量提升到一個(gè)很高的量級(jí)，這些都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。
5.減重瘦身
除了正負(fù)極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個(gè)電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時(shí)不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。
在這方面做文章，就需要針對(duì)電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，從而找出合理的方案。各個(gè)方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個(gè)幅度。
從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個(gè)系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開(kāi)發(fā)新材料和新化學(xué)體系這幾個(gè)方面入手，尋找短期、中期和長(zhǎng)期的解決方案。
燃料電池(FC)式直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b配。燃料電池發(fā)電效率高，功率可達(dá)600/o以上，若是高溫燃料電池配和聯(lián)合輪回，效率可達(dá)85%。而且，效率受燃料電池規(guī)模和負(fù)荷年夜小影響步年夜。燃料電池發(fā)電出力能快速跟蹤負(fù)荷變化，速度可達(dá)每秒變化全負(fù)荷的500/o，調(diào)峰能力極強(qiáng)。
FC發(fā)電的重要優(yōu)點(diǎn)是堆情況污染很小，由于沒(méi)有燃燒進(jìn)程，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)上的零排放。燃料電池另—達(dá)優(yōu)點(diǎn)式省水。這對(duì)水資本缺少的我國(guó)而言極為重要。此外，燃料電池發(fā)電尚有適合散布式供電，節(jié)省輸電投資，模塊結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)建等等優(yōu)點(diǎn)。
2.3靈活的多謝L輸電技術(shù)
靈活的交流輸電系統(tǒng)(FACTS)80年帶后期泛起的新技術(shù)，近年來(lái)再全球E成長(zhǎng)迅速。專(zhuān)家們預(yù)，未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將在電力輸送和分配方面將引發(fā)重年夜變化，對(duì)于充實(shí)哄騙現(xiàn)有電網(wǎng)資本和實(shí)現(xiàn)電能的高效哄騙，將會(huì)闡揚(yáng)重要作用。
所謂“靈活的交流輸電技術(shù)”是指：采用年夜功率電子器件作為年夜功率高壓開(kāi)關(guān)，與其他電力裝備組成FACTS裝備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)，如線路阻抗、相位角、功宰潮水的接連調(diào)理控制，從而年夜幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，下降輸電消耗。
2.4電能貯存技術(shù)
電能貯存是實(shí)現(xiàn)電能高效哄騙的重要途徑。除抽水蓄能方式之外，實(shí)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)要數(shù)電池儲(chǔ)能(BESS)。它的焦點(diǎn)部件是蓄電池和GTO一類(lèi)的器件組成的交直流變換器。電池蓄能系統(tǒng)既可作為旋轉(zhuǎn)備用，也能夠作為調(diào)峰和R局頻電源，或直接安裝在重要用戶(hù)內(nèi)，作為年夜型的不中斷電源。同時(shí)，BESS還具有無(wú)功調(diào)理的功能。
2.5電能質(zhì)量控制技術(shù)
電能的高效哄騙的一個(gè)重要內(nèi)容是向用戶(hù)提供靠得住的、優(yōu)質(zhì)的電能供給?，F(xiàn)代社會(huì)的成長(zhǎng)對(duì)提高供電的靠得住性，改善電能質(zhì)量：提出了越來(lái)越高的要求。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)支器、機(jī)械人、自動(dòng)生產(chǎn)線、細(xì)密的加工工具的采用，由于可編程控制器、計(jì)較機(jī)信窟系統(tǒng)的日益普遍使用，對(duì)電能質(zhì)量的控制提出了嚴(yán)酷的要求。這些裝備對(duì)電源的波動(dòng)和各類(lèi)干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會(huì)造成產(chǎn)物質(zhì)量的下降，從而發(fā)生重年夜損失。
3現(xiàn)代電力電子技術(shù)新運(yùn)用領(lǐng)域展看
1)機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的機(jī)電與專(zhuān)用的電力電子控制裝備，提高電能哄騙效率：2)電動(dòng)車(chē)輛及充電站網(wǎng)絡(luò)，電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)用已成為環(huán)保的—個(gè)重要課題，而其充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)還處于初步階段，是以會(huì)有很年夜成長(zhǎng)空間;3)中高壓直流輸配電系統(tǒng)，它有功率因數(shù)高、電網(wǎng)污染小、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)：4)電能貯存裝配，哄騙電力電子技術(shù)將電能貯存與蓄電池或超導(dǎo)線圈中，可以實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)，對(duì)不能電能的合理哄騙提供解決方案。
可以說(shuō)，能量密度是制約當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。不管是手機(jī)，還是電動(dòng)汽車(chē)，人們都期待電池的能量密度能夠達(dá)到一個(gè)全新的量級(jí)，使得產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間或續(xù)航里程不再成為困擾產(chǎn)品的主要因素。
從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升?？墒翘嵘乃俣认鄬?duì)于工業(yè)規(guī)模的發(fā)展速度而言，相對(duì)于人類(lèi)對(duì)能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類(lèi)的進(jìn)步都被卡在“電池”這兒了。當(dāng)然，如果哪一天能夠?qū)崿F(xiàn)全球電力無(wú)線傳輸，到哪兒都能“無(wú)線”獲得電能（像手機(jī)信號(hào)一樣），那么人類(lèi)也就不再需要電池了，社會(huì)發(fā)展自然也就不會(huì)卡在電池上面。
針對(duì)能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國(guó)都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國(guó)政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標(biāo)，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當(dāng)于在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。2030年的遠(yuǎn)期目標(biāo)，則要達(dá)到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業(yè)必須要有化學(xué)體系的重大突破，才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現(xiàn)有的化學(xué)體系和結(jié)構(gòu)而言，具體都有哪些明顯的限制呢？
前面我們分析過(guò)，充當(dāng)電能載體的，其實(shí)就是電池當(dāng)中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩(wěn)定的、持續(xù)的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個(gè)例子，一塊鋰離子電池當(dāng)中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點(diǎn)，其余99%的成分都是不承擔(dān)能量存儲(chǔ)功能的其他物質(zhì)。愛(ài)迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來(lái)這個(gè)道理放之四海皆準(zhǔn)啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個(gè)都不行。
那么要提高能量密度，我們首先想到的就是提高鋰元素的比例，同時(shí)要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來(lái)，移動(dòng)到負(fù)極，然后還得從負(fù)極原數(shù)返回正極（不能變少了），周而復(fù)始的搬運(yùn)能量。
1.提高正極活性物質(zhì)的占比
提高正極活性物質(zhì)占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個(gè)電池化學(xué)體系中，鋰元素的含量上去了（其他條件不變），能量密度也會(huì)有相應(yīng)的提升。所以在一定的體積和重量限制下，我們希望正極活性物質(zhì)多一些，再多一些。
2.提高負(fù)極活性物質(zhì)的占比
這個(gè)其實(shí)是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負(fù)極活性物質(zhì)來(lái)容納游過(guò)來(lái)的鋰離子，存儲(chǔ)能量。如果負(fù)極活性物質(zhì)不夠，多出來(lái)的鋰離子會(huì)沉積在負(fù)極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學(xué)反應(yīng)和電池容量衰減。
3.提高正極材料的比容量（克容量）
正極活性物質(zhì)的占比是有上限的，不能無(wú)限制提升。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學(xué)反應(yīng)，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對(duì)于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標(biāo)要高。
這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是奔著這個(gè)目標(biāo)去的。
前面已經(jīng)分析過(guò)，鈷酸鋰可以達(dá)到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實(shí)際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元?jiǎng)t可以達(dá)到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正極材料，并取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。
4.提高負(fù)極材料的比容量
相對(duì)而言，負(fù)極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進(jìn)一步提升負(fù)極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負(fù)極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達(dá)到提升能量密度的目標(biāo)。
以石墨類(lèi)碳材料做負(fù)極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎(chǔ)上研究的硬碳材料和納米碳材料，則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負(fù)極材料，也可以將負(fù)極的比容量提升到一個(gè)很高的量級(jí)，這些都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。
5.減重瘦身
除了正負(fù)極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個(gè)電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時(shí)不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。
在這方面做文章，就需要針對(duì)電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，從而找出合理的方案。各個(gè)方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個(gè)幅度。
從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個(gè)系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開(kāi)發(fā)新材料和新化學(xué)體系這幾個(gè)方面入手，尋找短期、中期和長(zhǎng)期的解決方案。
