鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:892次 | 2022年03月23日
氫燃料動(dòng)力鋰離子電池和鋰離子電池未來(lái)前景及優(yōu)缺點(diǎn)比較
你了解為何這個(gè)國(guó)家正在推廣氫燃料動(dòng)力鋰電池嗎?假如我們沒(méi)有鋰離子電池,為何我們要?dú)淙剂蟿?dòng)力鋰電池呢?哪一個(gè)更好?其中哪一個(gè)可能是未來(lái)的權(quán)力方向?
氫燃料動(dòng)力鋰電池和鋰離子電池分析
近幾十年來(lái),盡管各國(guó)大力推廣電動(dòng)汽車,但電動(dòng)汽車的比例仍然很低,不到1%。其核心是過(guò)去所有的電動(dòng)汽車都違背了提高功率密度的重要邏輯。即使是最新一代的鋰離子汽車,其能量密度低至汽油的1/40,也慢了10倍。但是燃料動(dòng)力鋰電池的出現(xiàn)從根本上改變了這一點(diǎn)。以氫氣為原料,底座的能量密度是汽油的3倍,發(fā)動(dòng)機(jī)的功功率是內(nèi)燃機(jī)的2倍,實(shí)際密度是汽油的6倍,具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。,從一百年人類昨天包的動(dòng)態(tài)演化,其實(shí)質(zhì)是烴的歷史比調(diào)整,氫含量越高,能量密度越高,未來(lái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向氫從碳是時(shí)代的潮流,所以選擇氫燃料動(dòng)力鋰電池更能代表歷史的方向進(jìn)行之前,的根底有望成為下一代的能力。
汽車的功能包括續(xù)航能力、充電/充氫時(shí)間、輸出功率和安全性等。燃料動(dòng)力鋰電池的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池,而相應(yīng)的電池容量、快速充電能力和續(xù)航里程都具有天然的優(yōu)點(diǎn),甚至可以與擁有鋰離子電池的頂端豪華車特斯拉相比。但其功率密度不高,最大輸出功率取決于輔助動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng),相應(yīng)的最高速度和100km加速目標(biāo)與鋰離子電池并無(wú)不同。為了便于比較,我們選擇當(dāng)前主流的2L排量汽油車、相應(yīng)的45度鋰離子電池車和輸出功率為100KW的燃料動(dòng)力鋰電池車作為分析基準(zhǔn)。
能量密度比較
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰離子電池作為電池的一種,是一個(gè)封閉的系統(tǒng)。電池只是一個(gè)能量載體,所以必須提前充電才能運(yùn)行。它的能量密度取決于電極數(shù)據(jù)的能量密度。由于負(fù)數(shù)據(jù)的能量密度遠(yuǎn)高于正數(shù)據(jù)的能量密度,提高能量密度要正數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展,如鉛酸、鎳、鋰離子電池等。但是鋰現(xiàn)在是金屬元素中最小的原子。一個(gè)更好的正極理論上要一個(gè)純鋰電極,但它的能量密度只有汽油的四分之一。因此,鋰離子電池能量密度的提高受到理論瓶頸的限制,空間十分有限。從目前的160Wh/KG到300Wh/KG,最多也就是燃料動(dòng)力鋰電池的1/120,而燃料動(dòng)力鋰電池在起跑線上就已經(jīng)丟失了。
體積能密度比較
氫燃料動(dòng)力鋰電池的重要缺點(diǎn)是它的能量密度不高。在目前700個(gè)大氣壓的壓力模型下,按體積計(jì)算的能量密度是汽油的三分之一。還可運(yùn)行300公里,燃料動(dòng)力鋰電池儲(chǔ)氫罐容積為100L,元件為30KG,相應(yīng)的汽油罐容積為30L,但電動(dòng)機(jī)的容積比內(nèi)燃機(jī)的80L,總體容積差異不大。鋰離子電池汽車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術(shù)道路,代表公司為特斯拉和比亞迪。三元能量密度較高,但安全性較差,要輔助安全維護(hù)設(shè)備,兩種電池之間的距離要運(yùn)行300公里是140L和220L,組件是0.4噸和0.6噸,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃料動(dòng)力鋰電池。展望未來(lái),假如儲(chǔ)氫合金和低溫液氫儲(chǔ)存技術(shù)能夠突破,燃料動(dòng)力鋰電池體積能量密度將分別新增1.5倍和2倍,優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
功率密度比較
燃料動(dòng)力鋰電池本質(zhì)上可以理解為一種以氫為基礎(chǔ)的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng),因此輸出功率相對(duì)穩(wěn)定。為了最大限度地提高放電功率,必須新增電源電池系統(tǒng)。例如,豐田Mirai是一款配套的鎳氫電池。然而,作為一個(gè)開(kāi)放的電力系統(tǒng),其能量來(lái)源于外部輸入。附加的鎳氫電池不要考慮儲(chǔ)能問(wèn)題??蓾M足5-8度的需求。雖然鋰離子電池的理論放電功率很高,但是為了不損害電池的使用壽命,有很多限制。在充分充電的情況下不能有大的放電率,快速放電僅適用于0-80%的范圍。即便如此,當(dāng)電池以5C的速度放電時(shí),實(shí)驗(yàn)室的電池周期壽命將縮短至600倍,在實(shí)際工作條件下進(jìn)一步縮短至400倍。例如,即使Telsa的最大功率可以達(dá)到310KW,但實(shí)際的放電率只有4C。此外,鋰離子電池是一種低能量密度的關(guān)機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng),除非電池包件大幅新增,否則很難與高功率放電和高量程基極兼容。即使特斯拉選擇了能量密度最高的最佳三元電池,其電池包件的重量也接近半噸。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
安全的比較
除了上述目標(biāo),汽車安全無(wú)疑也是非常關(guān)鍵的。鋰離子電池是一個(gè)封閉的能源系統(tǒng),由于其高能量密度和安全性,在原理上很難操作,否則就相當(dāng)于一顆炸彈。所以現(xiàn)在在主流工藝道路上,磷酸鐵鋰具有較低的能量密度,具有較好的安全性,電池溫度在開(kāi)始分異前達(dá)到500-600度,基礎(chǔ)不要太多的維護(hù)輔助設(shè)備。ternalsTelsa的能量密度很高,但不能抵抗高溫。它們?cè)?50度和350度之間有差別,因此不太安全。解決方法是將7000多塊電池并聯(lián)起來(lái),大大降低單個(gè)電池泄漏和爆炸的風(fēng)險(xiǎn),即使這樣也要一個(gè)雜亂的電池維護(hù)包。另外,在之前的事故中,雖然由于Telsa的安全規(guī)劃沒(méi)有造成人員傷亡,但事故本身其實(shí)是非常輕微的敲打,汽車沒(méi)有損壞,只是電池著火了,這也體現(xiàn)了安全上的自然順風(fēng)。
燃料動(dòng)力鋰電池由于其易燃易爆的特性,充滿了安全隱患。然而,如下表所示,與汽車使用的兩種常見(jiàn)可燃?xì)怏w汽油蒸汽和天然氣相比,氫氣并不差,甚至稍好一些。目前,碳纖維材料已被用于汽車儲(chǔ)氫裝置中,這些裝置可以在時(shí)速80KM/h的多角度碰撞試驗(yàn)中安然無(wú)恙。即使事故導(dǎo)致泄漏,由于氫氣爆炸要高濃度,爆炸前已經(jīng)開(kāi)始燃燒,但很難爆炸。另外,氫氣成分較輕,從系統(tǒng)中逸出的氫氣在火災(zāi)后會(huì)迅速上升,從而在一定程度上維持了身體和乘客。汽油是液體,鋰離子電池是固體,難以在大氣中上升,在客艙底部焚燒,會(huì)使車輛迅速燃燒成碎片。儲(chǔ)氫運(yùn)輸與液化天然氣非常相似,只是要更大的壓力,而且隨著商業(yè)推廣,整體安全還是可控的。
電池車的成本分為第一輛車的成本、材料成本、配套成本?,F(xiàn)在對(duì)燃料動(dòng)力鋰電池最批評(píng)的是成本太高,但是隨著遠(yuǎn)景的發(fā)展,隨著技術(shù)的進(jìn)步和商業(yè)的進(jìn)步,成本下降的空間是非常大的。而假如鋰離子電池考慮電網(wǎng)終端擴(kuò)容的成本,實(shí)際上匹配成本之和高于燃料動(dòng)力鋰電池,具體計(jì)算如下:
車輛成本比較
鋰離子電池、燃料動(dòng)力鋰電池和傳統(tǒng)的汽油汽車,汽車成本的重要差異體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)成本上,其他部件的差異不大。2L汽油車的發(fā)動(dòng)機(jī)成本約3萬(wàn)元,未來(lái)很難有太大的變化。鋰離子電池的kWh成本是1200元/kWh,預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)降低到1000元/kWh。45度電動(dòng)汽車的電池成本為45000元。燃料動(dòng)力鋰電池的成本是電池包和高壓儲(chǔ)氫罐,現(xiàn)在100千瓦的電池成本是10萬(wàn)元,預(yù)計(jì)年產(chǎn)50萬(wàn)后,單位成本將降低到30美元/千瓦,即2萬(wàn)元?,F(xiàn)有儲(chǔ)氫罐的成本為6萬(wàn)元,預(yù)計(jì)未來(lái)將降至3.5萬(wàn)元,總成本為5.5萬(wàn)元。長(zhǎng)期來(lái)看,三種動(dòng)力系統(tǒng)的成本差別不大,可以看出,整車成本并不是核心問(wèn)題。
材料成本比較
2L汽油車100公里耗油10升,5.8元/升汽油價(jià)格,成本為58元。鋰離子電池車100公里耗電17度,0.65元/KWH的電費(fèi),11元的費(fèi)用。燃料動(dòng)力鋰電池每100公里消耗9立方米氫氣。制氫重要包括電解水或化學(xué)反應(yīng),如煤制氫和天然氣制氫。電解水的成本首先是電,均勻的5度電1平方的氫氣,成本大約是3.8元/平方,但可以在氫氣站直接電解,節(jié)省運(yùn)輸成本。假如選擇化石能源集中大規(guī)模加工,國(guó)內(nèi)成本最低的是煤制氫,大約為1.4元/方,北美可以使用廉價(jià)的天然氣,成本在0.9元/方。假如我們以煤制氣成本為基準(zhǔn),100公里材料成本為12.6元,與鋰離子電池相差不大。
匹配成本比較
加氫站、加油站和充電站的成本重要分為土地成本、設(shè)備成本和建設(shè)成本。加油站基地300萬(wàn)元,充電站430萬(wàn)元,氫氣站按照日本目前的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)為1500萬(wàn)元,氫氣站總成本高出約1000萬(wàn)元。按15年折舊,年銷售1000萬(wàn)平方米,則折舊費(fèi)用為0.1元/平方米。氫一般采用罐車小規(guī)模運(yùn)輸,預(yù)計(jì)運(yùn)費(fèi)為0.44元/方,擴(kuò)大規(guī)模后可選擇管網(wǎng)運(yùn)輸,成本降至0.23元/方。
雖然鋰離子電池目前依賴于現(xiàn)成的電網(wǎng)系統(tǒng),但它們的成本很低。但假如大規(guī)模執(zhí)行,現(xiàn)有的電網(wǎng)容量冗余基礎(chǔ)將被耗盡,未來(lái)要大規(guī)模擴(kuò)容。因此,充電站本質(zhì)上是將支持成本外部化到電網(wǎng)中,因此整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成本都要加到電網(wǎng)中。一般情況下,商業(yè)運(yùn)行的充電站應(yīng)至少達(dá)到1小時(shí)快速充電的標(biāo)準(zhǔn),10個(gè)充電樁組成的充電站功率應(yīng)達(dá)到600kw,相當(dāng)于數(shù)百戶家庭的電力負(fù)荷,對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷影響較大。對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格的需求追加投資120萬(wàn)元擴(kuò)大產(chǎn)量負(fù)荷,但每年新增電力銷售只要930000度,根據(jù)0.65元/千瓦時(shí)購(gòu)買電力成本,網(wǎng)格的最后15年回收投資計(jì)算,然后價(jià)格新增0.18元/千瓦時(shí)的基礎(chǔ)上的成本。
銷售終端成本計(jì)算
加油站的銷售網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常成熟,每小時(shí)的利潤(rùn)可以作為加油站合理退貨的基準(zhǔn)。相應(yīng)加氫站每平方米的差價(jià)為0.51元,鋰離子電池每千瓦時(shí)的差價(jià)為4.9元。這種價(jià)格情況下,鋰離子電池汽車基地?zé)o法實(shí)現(xiàn)。國(guó)家現(xiàn)在將充電站的費(fèi)用限制在每千瓦時(shí)0.4元,但這是在慷慨補(bǔ)貼的背景下。但長(zhǎng)期以來(lái),沒(méi)有哪個(gè)行業(yè)能夠依靠補(bǔ)貼來(lái)開(kāi)展。未來(lái),假如鋰離子電池的充電功率沒(méi)有明顯提高,公司的剩余水平將明顯低于加油站和加氫站環(huán)節(jié)。沒(méi)有合理的回報(bào),在土地稀缺的大城市,投資者就沒(méi)有動(dòng)力去推廣充電站,工業(yè)性質(zhì)也無(wú)法發(fā)展。但鋰離子電池低能量密度過(guò)低,假如力完成高充電功率,電池周期壽命面對(duì)的工程戰(zhàn)將十分巨大。即使是3分鐘后
總資本
綜上所述,汽油車、鋰離子電池車、現(xiàn)階段純商用燃料動(dòng)力鋰電池車100公里后的成本分別為58、83、23和20元。因?yàn)殇囯x子電池成本的差價(jià)銷售比例非常高,讓我們考慮一下,充電樁設(shè)備投資是1/3的加氫站,每小時(shí)利潤(rùn)減少到1.4元,成本之和也37元,燃料動(dòng)力鋰電池汽車長(zhǎng)時(shí)間成本優(yōu)點(diǎn)仍然非常明顯。其實(shí),這一切的根源都是燃料動(dòng)力鋰電池的能量密度最高,同樣商業(yè)化的情況下,成本自然優(yōu)點(diǎn)明顯。
發(fā)展新汽車的一個(gè)重要邏輯是節(jié)能環(huán)保,這無(wú)疑對(duì)我國(guó)更重要?,F(xiàn)在我國(guó)不僅空氣污染嚴(yán)重,對(duì)石油進(jìn)口的依賴性高達(dá)60%,其中85%還通過(guò)美國(guó)控制馬六甲海峽,電力安全已成為我國(guó)國(guó)家安全的最大弱點(diǎn)。對(duì)新車給予巨額補(bǔ)貼的重要原因之一是為了減輕對(duì)石油進(jìn)口的依賴。然后從節(jié)能、環(huán)保、資源約束等方面對(duì)兩者進(jìn)行比較,如下:
節(jié)能與環(huán)保的比較
燃料動(dòng)力鋰電池材料制氫在我國(guó)目前最經(jīng)濟(jì)的辦法是煤制氫,鋰離子電池材料制氫,在我國(guó)也重要是從煤發(fā)電。因此,這兩種能源本質(zhì)上都是來(lái)自煤炭,碳排放只轉(zhuǎn)移到上游,所以無(wú)論是否節(jié)能,首先要看的是能源轉(zhuǎn)換動(dòng)力。目前,鋰離子電池汽車每百公里耗電17千瓦,相當(dāng)于6.8公斤煤。燃料動(dòng)力鋰電池每100公里消耗9立方米氫氣,儲(chǔ)運(yùn)損耗20%,相當(dāng)于7.3公斤煤。汽油車每100公里消耗10L的燃料,排放相當(dāng)于10kg的煤。事實(shí)上,這款新車的節(jié)能效果并不明顯,其核心價(jià)值仍然是將電力消耗從石油轉(zhuǎn)化為我國(guó)豐富的煤炭,緩解電力安全問(wèn)題。從環(huán)保角度來(lái)看,燃料動(dòng)力鋰電池幾乎沒(méi)有尾氣排放,鋰離子電池只有少量排放,整個(gè)行業(yè)的污染將集中在上游。但是,與處理分散的汽油汽車尾氣排放相比,上游污染控制無(wú)疑要容易得多。綜上所述,燃料動(dòng)力鋰電池是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中污染最低的,是最佳的綠色汽車動(dòng)力。