目前，國(guó)內(nèi)鋰離子電池系統(tǒng)的成本在1800元/kWh左右，燃料電池堆（不含系統(tǒng)中的燃料系統(tǒng)等各種附件）的成本在5000元/kW左右。對(duì)于一輛普通轎車，假設(shè)是電動(dòng)汽車，電量配置60kWh（BYDE6配置60kWh）其成本在9.6萬(wàn)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(wàn)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(fā)展的瓶頸。一般認(rèn)為，燃料電池的成本偏高主要是由于使用了貴金屬Pt，而實(shí)際Pt的成本計(jì)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(duì)于100kW的燃料電池系統(tǒng)中使用的Pt含量為41.67g。Pt的價(jià)格按照500元/g計(jì)算，使用的Pt的成本為41.67*500=20833元。對(duì)于100kW的燃料電池堆的成本在50萬(wàn)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?yàn)槟壳安牧虾拖到y(tǒng)的工藝都不太成熟，而隨著商業(yè)化的發(fā)展，其成本必然有非常大幅度下降。

　　安全性與相關(guān)法規(guī)

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

　　單體層級(jí)燃料電池的安全設(shè)計(jì)少于鋰離子電池。系統(tǒng)集成層級(jí)燃料電池系統(tǒng)比鋰離子電池系統(tǒng)復(fù)雜。由于使用了可燃?xì)怏w氫氣，多了對(duì)氫氣的泄露保護(hù)設(shè)計(jì)。由于需要防止質(zhì)子交換膜潤(rùn)濕不充分帶來的影響，需要通過監(jiān)控內(nèi)阻來監(jiān)控內(nèi)部濕度的變化。燃料電池和鋰離子電池相關(guān)安全性設(shè)計(jì)如表4所示。

　　動(dòng)力型鋰離子電池的還原劑和氧化劑都存儲(chǔ)在同一個(gè)裝置中，之間僅有一層微米級(jí)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(yōu)于鋰離子電池。通過一系列的安全防護(hù)，兩種電池的安全性都在可接受的程度。

　　為了保證動(dòng)力電池的安全性，國(guó)家針對(duì)動(dòng)力型鋰離子電池和燃料電池制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，從而確保動(dòng)力電池的安全性、可靠性。如表5所示，燃料電池相對(duì)鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)偏少，發(fā)行時(shí)間早，標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)狀符合性不如鋰離子電池。電動(dòng)汽車有對(duì)應(yīng)的定型試驗(yàn)規(guī)程《GB/T18388—2005電動(dòng)汽車定型試驗(yàn)規(guī)程》，而燃料電池車定型規(guī)程作為汽車行業(yè)對(duì)于新能源汽車產(chǎn)品定型的一個(gè)必備標(biāo)準(zhǔn)急待推出。

　　1 碳負(fù)極材料：此種類型的材料無(wú)論是能量密度、循環(huán)能力，還是成本投入等方面，其都處于表現(xiàn)均衡的負(fù)極材料，同時(shí)也是促進(jìn)鋰離子電池誕生的主要材料，碳材料可以被劃分為兩大類別，即石墨化碳材料以及硬碳。其中，前者主要包括人造石墨以及天然石墨。人造石墨的形成過程為：在2500℃以上的溫度中，將軟碳材料進(jìn)行石墨化處理之后得到，MCMB屬于人造石墨中比較常用的一種，其結(jié)構(gòu)為球形，表面質(zhì)地較為光滑，直徑大約為5-40μm。由于受其表面光滑程度影響，使電極表面以及電解液之間發(fā)生反應(yīng)的幾率降低，進(jìn)而降低了不可逆容量。同時(shí)，球形結(jié)構(gòu)能夠方便鋰離子在任何方向進(jìn)行嵌入和脫出活動(dòng)，對(duì)保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有較大的促進(jìn)作用。天然石墨也具有諸多優(yōu)勢(shì)，其結(jié)晶度較高、可嵌入的位置較多，并且價(jià)格較低，是較為理想的鋰離子電池材料。但其也存在一定的弊端，例如在與電解液反應(yīng)時(shí)，相容性較差，在進(jìn)行粉碎時(shí)表面存在諸多缺陷等，這都將對(duì)其充電或放電的性能產(chǎn)生較大的不利影響。此外，硬碳的形成過程為：在2500℃的狀態(tài)下，難以實(shí)施石墨化的碳材料，其主要為高分子化合物的熱解碳，通過高倍顯微鏡能夠看出，其是由許多納米小球堆積而成，整體呈現(xiàn)出花團(tuán)簇狀，具體如圖1所示。在其表面具有大量納米孔的無(wú)定形區(qū)域，在容量方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過石墨的標(biāo)準(zhǔn)容量，進(jìn)而對(duì)循環(huán)能力產(chǎn)生較大的不利影響。

　　2 硅負(fù)極材料：由于硅物質(zhì)的儲(chǔ)存量較為豐富，且價(jià)格較為低廉，因此將其作為新型負(fù)極材料應(yīng)用到鋰離子電池中十分理想。但是，由于硅屬于半導(dǎo)體，電導(dǎo)率較差，并且在嵌入的過程中將會(huì)使體積膨脹成以往的數(shù)倍，最高膨脹度能夠達(dá)到370%，這將導(dǎo)致活性硅粉化和脫落，難以與電子進(jìn)行充分的接觸，進(jìn)而使得容量迅速縮減。要想使硅在鋰離子電池材料中得到良好的應(yīng)用，使其在充電或者放電的過程中，能夠?qū)ζ潴w積進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而使其容量和循環(huán)能力得到極大的保障，可以采用以下幾種方式來實(shí)現(xiàn)，第一，使用納米尺寸的硅。第二，將硅與非活性基體、活性基體、粘接劑相結(jié)合。第三，利用硅薄膜，其已經(jīng)被視為是下一代最為適用的商用負(fù)極材料。

　　3 鋰離子電池正極材料：鈷酸鋰作為正極材料，被應(yīng)用的時(shí)間最早，并且直至目前仍然屬于消費(fèi)電子產(chǎn)品中居于主流的正極材料。鈷酸鋰與其他正極材料相比較能夠看出，其工作過程中電壓較高，充電或者放電時(shí)電壓運(yùn)行較為平穩(wěn)，能夠符合大電流的要求，具有較強(qiáng)的循環(huán)性能，電導(dǎo)效率較高，材料以及電池等工藝較為穩(wěn)定。但是其也存在許多缺點(diǎn)，例如資源較為短缺，價(jià)格較貴，鈷含有毒性，使用時(shí)具有一定的危險(xiǎn)，并且會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。尤其是其安全性不能得到切實(shí)的保障，這將成為制約其廣泛發(fā)展的重要因素。在對(duì)其進(jìn)行的研究中，以Al3+、Mg2+、Ni2+等金屬陽(yáng)離子摻雜最為廣泛，隨著科研的不斷推進(jìn)，目前采用Al3+與Mg2+等金屬陽(yáng)離子摻雜形式更是已開始投入使用。在鈷酸鋰的制備方面，主要包括兩種方法，即固相合成法以及液相合成法。在工業(yè)中普遍使用的是高溫固相合成法，它主要利用鋰鹽，例如Li2CO3或LiOH等，與鈷鹽如CoCO3等，按照1:1的比例進(jìn)行融合，并且在600℃至900℃高溫的狀態(tài)下進(jìn)行煅燒而形成。目前市場(chǎng)中對(duì)鈷酸鋰材料的應(yīng)用主要為二次電池市場(chǎng)當(dāng)中，并且也成為小型高密度鋰離子電池材料的最佳選擇。

　　三元正極材料具有較為顯著的三元協(xié)同效應(yīng)，其與鈷酸鋰相比較能夠看出，在熱穩(wěn)定性方面存在較大的優(yōu)勢(shì)，并且生產(chǎn)成本較為低廉，能夠成為鈷酸鋰最佳代替材料。但是其密度較低、循環(huán)性能方面也有待提高。對(duì)此，可以采用改進(jìn)合成工藝以及離子摻雜等進(jìn)行調(diào)整。三元材料主要應(yīng)用于鋼殼、鋁殼等圓柱形鋰離子電池當(dāng)中，但在軟包電池中由于受到膨脹因素影響，使其的應(yīng)用受到較大限制。在未來的應(yīng)用中，其發(fā)展方向主要有兩個(gè)方面：第一，向著高錳方向，主要在藍(lán)牙、手機(jī)等小型便攜式設(shè)備方面發(fā)展。第二，向著高鎳方向，主要在電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車等對(duì)能量密度需求較高的領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用。

　　磷酸亞鐵鋰在充電和放電方面具有良好的循環(huán)性能以及熱穩(wěn)定性，在使用過程中具有較強(qiáng)的安全保障，并且該材料綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的損害，同時(shí)價(jià)格也較為低廉，被我國(guó)電池工業(yè)認(rèn)為是進(jìn)行大型電池模塊生產(chǎn)的最佳材料。目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：電動(dòng)汽車、便攜式移動(dòng)充電電源等，在未來發(fā)展中將會(huì)朝著儲(chǔ)能電源、便攜式電源方向深入發(fā)展。

　　錳酸鋰在應(yīng)用中具有較強(qiáng)的安全性以及抗過充性，由于我國(guó)錳資源較為豐富，因此價(jià)格較為低廉，對(duì)環(huán)境的污染較小，無(wú)毒無(wú)害，工業(yè)制備操作較為簡(jiǎn)便。但是其在充電或者放電過程中，由于尖晶石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生Jahn-Teller效應(yīng)，再加上高溫狀態(tài)下錳的溶解，容易縮減電池容量，因此其應(yīng)用也受到了較大的限制。目前，錳酸鋰的應(yīng)用范圍主要是小型電池，例如手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等，在動(dòng)力電池方面與磷酸鐵鋰能夠互為替代，因此產(chǎn)生了強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，其發(fā)展方向?qū)?huì)向著高能量、高密度、低成本的趨勢(shì)發(fā)展。

　　鋰離子電池產(chǎn)品呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)、電腦等產(chǎn)品得到廣泛的應(yīng)用，這將使得對(duì)鋰離子電池的需求量變大，為其帶來較大的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)，車載鋰離子以及儲(chǔ)能電源等也逐漸得到發(fā)展，為鋰離子電池提供了新的增長(zhǎng)點(diǎn)。由此可見，在未來的發(fā)展中，必會(huì)加強(qiáng)對(duì)此方面的研究力度，使鋰離子電池的作用發(fā)揮到更大，這也將帶動(dòng)其電池材料不斷得到更新?lián)Q代。

　　三、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(yōu)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(guān)鍵技術(shù)為能量密度提升，安全性，熱管理，系統(tǒng)集成優(yōu)化控制等；燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)有耐久性，冷啟動(dòng)，系統(tǒng)集成優(yōu)化控制等。無(wú)論燃料電池還是鋰離子電池，相關(guān)的技術(shù)均有大量進(jìn)步的空間。對(duì)于鋰離子電池來說，如果其能量密度能夠進(jìn)一步提高，循環(huán)壽命能夠更長(zhǎng)，則也是一種非常優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)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(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的瓶頸，很難得有質(zhì)的提升；而成本的降低，可以通過商業(yè)化解決。因此短期來看，鋰離子電池比燃料電池更適用；長(zhǎng)期來看，燃料電池比鋰離子電池更有發(fā)展前景。