深度揭秘四大動力電池技術(shù)路線優(yōu)劣勢
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-11 20:50
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在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，上游是氫氣的制取、運輸和儲藏，在加氫站對氫燃料電池系統(tǒng)進行氫氣的加注；中游是電堆等關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)，將電堆和配件兩大部分進行集成，形成氫燃料電池系統(tǒng)；在下游應(yīng)用層面，主要有交通運輸、便攜式電源和固定式電源三個方向。
二、動力電池優(yōu)劣勢比較
目前在交通運輸用動力源方面，主要有四種技術(shù)路線：鋰離子電池、氫燃料電池、超級電容和鋁空氣電池。其中鋰離子電池、超級電容和氫燃料電池得到廣泛的應(yīng)用，而鋁空氣電池尚處于實驗室研究階段。能源補給方面，鋰離子電池、超級電容適用于純電動汽車，但是需要外部充電，而氫燃料電池汽車則需要外部氫氣加注，鋁空氣電池則需要補充鋁板和電解液。
氫燃料電池特性
?。?）良好的環(huán)境相容性
氫燃料電池提供的是高效潔凈能源，其排放的水不僅量少，而且非常干凈，因而不存在水污染問題。同時由于燃料電池不像發(fā)動機那樣需要將熱能轉(zhuǎn)換為機械能，而是直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，能量轉(zhuǎn)換效率高，噪音小。
（2）良好的操作性能
氫燃料電池發(fā)電，不需要復(fù)雜龐大的配置設(shè)備，電池堆可以模塊化組裝。例如，一個 4.5MW 的發(fā)電裝置可以 有 460 個電池組件組成，其發(fā)電廠占地面積比火力發(fā)電廠小得多。氫燃料電池適合作為分散發(fā)電裝置。另外與火力、水力和核能發(fā)電相比，氫燃料電池電廠的建設(shè)周期短，擴建容易，可以完全根據(jù)實際需要分期建設(shè)。同時氫燃料電池的運行質(zhì)量高，應(yīng)對負載的快速變動（如高峰負載）特性優(yōu)良，在數(shù)秒內(nèi)就可以從低功率變換到額定功率。
（3）高效的輸出性能
氫燃料電池工作時將燃料儲存的能量轉(zhuǎn)化為電和熱，轉(zhuǎn)換電能的效率在 40%以上，而汽輪機只有 1/3 可以轉(zhuǎn)化為電。
?。?）靈活的結(jié)構(gòu)特性
氫燃料電池組裝非常靈活，功率大小容易調(diào)配，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，由于氫燃料電池良好的模塊性可以在不增加基礎(chǔ)設(shè)施投資的基礎(chǔ)上，通過增減單電池的片數(shù)即可輕松實現(xiàn)輸出功率和電壓的調(diào)整，所以建設(shè)起來也很容易，而且比較容易實現(xiàn)對電網(wǎng)的調(diào)控。燃料電池的這一特點提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
（5）氫的來源廣泛
氫作為二次能源，可通過多種方式獲得，如煤制氫、天然氣重整制氫、電解水制氫等等。在化石能源被耗盡時，氫將成為世界上的主要燃料及能量。而采用太陽能電解水制氫，過程中沒有碳排放，可以認為氫是終極能源。
（6）存在的瓶頸
從現(xiàn)階段發(fā)展來看，氫燃料電池的普及遇到一定的瓶頸，如電池本身成本較高，基礎(chǔ)設(shè)施尚未普及等。
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鋰離子電池特性
（1）電壓平臺
鋰離子電池由于采用的正負極材料不同，其單體電池的工作電壓范圍為3.7~4V，其中應(yīng)用規(guī)模較大的磷酸鐵鋰單體電池工作電壓為 3.2V，是鎳氫電池的 3 倍、鉛酸電池的 2 倍。
?。?）比能量大
當前乘用車鋰離子動力電池的能量密度接近 200Wh/kg，預(yù)計 2020 年達到300Wh/kg。
?。?）電池壽命短
由于電化學(xué)材料特性的制約，鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)沒有取得突破，以磷酸鐵鋰為例，單體電池循環(huán)次數(shù)可以達到 2000 次以上，成組后僅為 1000 次以上。無法滿足公交運行 8 年期限的要求。
?。?）對環(huán)境影響較大
鋰離子電池采用輕金屬鋰，盡管不含汞、鉛等有害重金屬，被認為是綠色電池，對環(huán)境污染較小。但實際上由于其正負極材料、電解液包含鎳、錳等金屬物，美國已經(jīng)將鋰離子電池歸類為一種包含易燃、浸出毒性、腐蝕性、反應(yīng)性等有毒有害性的電池，是目前各類電池中包含毒性物質(zhì)最多的電池，并且因為其回收再利用的工藝較為復(fù)雜導(dǎo)致成本較高，因此目前的回收再利用率不高，廢棄的電池對環(huán)境影響較大。
?。?）成本依然較高
鋰離子電池初期購置成本高，以目前公交車用動力電池主流產(chǎn)品磷酸鐵鋰電池為例，價格大約在 2500 元/kWh，隨著電動汽車的普及，有望在 2020 年降低到 1000 元/kWh以下。由于單體電池成組后循環(huán)次數(shù)的制約，公交車通常在 3 年左右即需要更換電池，運營單位成本壓力較大。
?。?）對電網(wǎng)影響較大
首先大規(guī)模應(yīng)用純電動汽車，由于充電需求較大，充電設(shè)備對電網(wǎng)的諧波干擾將會凸顯，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；其次，在快充時，由于是大倍率充電，因此充電功率較高（乘用車在 50kW、客車在 150~250kW 左右），對電網(wǎng)的負荷沖擊較大。
因此，基于目前鋰離子電池的技術(shù)水平來看，其電動汽車方面的應(yīng)用主要在行駛里程小于 200km 的短途純電動汽車中。
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超級電容器特性
?。?）極高的充放電倍率
超級電容具備較高的功率密度，可在短時間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流，充電速度快，可在幾十秒到幾分鐘內(nèi)完成充電過程。超級電容公交車和有軌電車就是利用此特性在短時間內(nèi)完成充電，驅(qū)動車輛前進。
?。?）循環(huán)壽命長
超級電容的充放電過程損耗極小，因此在理論上其循環(huán)壽命為無窮，實際可達 100000 次以上，比電池高 10 ~100 倍。
?。?）低溫性能較好
超級電容充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進行，所以容量隨溫度衰減非常小，而通常鋰離子電池在低溫下容量衰減幅度甚至高達70%。
?。?）能量密度太低
超級電容應(yīng)用的瓶頸之一就是能量密度太低，僅為鋰離子電池的 1/20 左右，約 10Wh/kg。因此不能作為電動汽車主電源，大多作為輔助電源，主要用于快速啟動裝置和制動能量回收裝置。
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鋁空氣電池特性
（1）材料成本低、能量密度高
鋁空氣電池的負極活性材料是含量豐富的金屬鋁，價格便宜，環(huán)保，正極活性物質(zhì)是空氣中的氧氣，正極容量可視無限大。因此鋁空氣電池具有質(zhì)量輕，體積小，使用壽命長的優(yōu)勢。
?。?）關(guān)鍵技術(shù)未取得突破，尚未走出實驗室
空氣電極極化和氫氧化鋁沉降等問題是影響金屬空氣電池走向市場化的重要障礙，鋁空氣電池性能的提高遇到很大的瓶頸。目前尚處于實驗室階段，距離商業(yè)化推廣還有一段不小的距離。
電動汽車
電動汽車的種類：純電動汽車(BEV)、混合動力汽車(PHEV)、燃料電池汽車(FCEV)。
純電動
電動汽車
純電動汽車由電動機驅(qū)動的汽車。
純電動汽車，相對燃油汽車而言，主要差別（異）在于四大部件，驅(qū)動電機，調(diào)速控制器、動力電池、車載充電器。相對于加油站而言，它由公用超快充電站。純電動汽車之品質(zhì)差異取決于這四大部件，其價值高低也取決于這四大部件的品質(zhì)。純電動汽車的用途也在四大部件的選用配置直接相關(guān)。
純電動汽車時速快慢，和啟動速度取決于驅(qū)動電機的功率和性能，其續(xù)行里程之長短取決于車載動力電池容量之大小，車載動力電池之重量取決于選用何種動力電池如鉛酸、鋅碳、鋰電池等，它們體積，比重、比功率、比能量、循環(huán)壽命都各異。這取決于制造商對整車檔次的定位和用途以及市場界定、市場細分。
純電動汽車的驅(qū)動電機有直流有刷、無刷、有永磁、電磁之分，再有交流步進電機等，它們的選用也與整車配置、用途、檔次有關(guān)。另外驅(qū)動電機之調(diào)速控制也分有級調(diào)速和無級調(diào)速，有采用電子調(diào)速控制器和不用調(diào)速控制器之分。電動機有輪轂電機、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機、有單電機驅(qū)動、多電機驅(qū)動和組合電機驅(qū)動等。
優(yōu)點：技術(shù)相對簡單成熟，只要有電力供應(yīng)的地方都能夠充電。
缺點：蓄電池單位重量儲存的能量太少，還因電動車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟規(guī)模，故購買價格較貴，至于使用成本，有些使用價格比汽車貴，有些價格僅為汽車的1/3，這主要取決于電池的壽命及當?shù)氐挠?、電價格。
混合動力
指能夠至少從下述兩類車載儲存的能量中獲得動力的汽車：
可消耗的燃料或可再充電能/能量儲存裝置。
根據(jù)動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式可分為以下三類：
串聯(lián)式混合動力汽車（SHEV）：車輛的驅(qū)動力只來源于電動機的混合動力(電動)汽車。結(jié)構(gòu)特點是發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，電能通過電機控制器輸送給電動機，由電動機驅(qū)動汽車行駛。另外，動力電池也可以單獨向電動機提供電能驅(qū)動汽車行駛。
并聯(lián)式混合動力汽車（PHEV）：車輛的驅(qū)動力由電動機及發(fā)動機同時或單獨供給的混合動力(電動)汽車。結(jié)構(gòu)特點是并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)可以單獨使用發(fā)動機或電動機作為動力源，也可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源驅(qū)動汽車行駛。
混聯(lián)式混合動力汽車（CHEV）：同時具有串聯(lián)式、并聯(lián)式驅(qū)動方式的混合動力(電動)汽車。結(jié)構(gòu)特點是可以在串聯(lián)混合模式下工作，也可以在并聯(lián)混合模式下工作，同時兼顧了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點。
（注：隨著混合動力電動汽車技術(shù)的發(fā)展，其類型不局限于以上幾種，還可按照其它型式劃分。）
那些通常采用傳統(tǒng)燃料的，同時配以電動機/發(fā)動機來改善低速動力輸出和燃油消耗。國內(nèi)市場上，混合動力車輛的主流都是汽油混合動力，而國際市場上柴油混合動力車型發(fā)展也很快。
優(yōu)點：
1．采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。
2．因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。
3．在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)“零”排放。
4．有了內(nèi)燃機可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。
5．可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。
6．可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。
缺點：長距離高速行駛基本不能省油。
燃料電池
以燃料電池作為動力電源的汽車。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此
燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2~3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。
單個的燃料電池必須結(jié)合成燃料電池組，以便獲得必需的動力，滿足車輛使用的要求。
近幾年來，燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進展。世界著名汽車制造廠，如戴姆勒－克萊斯勒、福特、豐田和通用汽車公司已經(jīng)宣布，計劃在2004年以前將燃料電池汽車投向市場。當下，燃料電池轎車的樣車正在進行試驗，以燃料電池為動力的運輸大客車在北美的幾個城市中正在進行示范項目。在開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如燃料電池組的一體化，提高商業(yè)化電動汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力，并已取得了顯著的進步。
