鉅大LARGE | 點擊量：1139次 | 2019年08月23日
鋰電池與燃料電池比較
前言
低溫對鋰離子動力電池和pEMFC電堆的影響是很不一樣的。相對而言，低溫對鋰離子電池性能的負(fù)面影響更大一些。
鋰電和燃料電池低溫性能比較
由于汽車使用地域的廣泛性，低溫性能是動力電池必不可少的技術(shù)指標(biāo)。鋰電的低溫性能主要取決于溫度對電極材料的電導(dǎo)、離子擴散系數(shù)以及電解液電導(dǎo)率的影響。低溫下電解液的粘度增大電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電池極化急劇增加。
一般而言，鋰離子電池的性能在接近零度是急劇下降，-20oC就幾乎不能正常工作了。低溫下頻繁充放電會嚴(yán)重惡化動力電池的壽命，并且容易導(dǎo)致負(fù)極析鋰而帶來安全隱患。一般而言，針對鋰離子動力電池低溫性能的改進措施會對其它一些技術(shù)指標(biāo)比如循環(huán)性和能量密度等帶來較大的負(fù)面影響，并且導(dǎo)致電芯成本的攀升。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
pEMFC的低溫問題稱之為冷啟動。冷啟動要求FC-EV在冰點以下的環(huán)境中，停機以后可以在一定時間內(nèi)重新啟動。由于在低溫環(huán)境下，pEMFC電堆內(nèi)會產(chǎn)生阻止電化學(xué)反應(yīng)的冰，因此冷啟動是FC-EV商業(yè)化的技術(shù)瓶頸之一。
但是pEMFC一旦啟動以后，由于自身放熱，即使是在很低的環(huán)境溫度下電堆的溫度也會很快穩(wěn)定在80-90oC的正常工作溫度范圍，這是pEMFC和鋰電工作方式上的一大不同之處。
pEMFC冰點以下的冷啟動問題已經(jīng)有不少理論和試驗數(shù)據(jù)。目前，Daimler-Benz已經(jīng)做到了-25oC啟動，Toyota，Nissan和Honda已經(jīng)做到了-30oC啟動，而對普通汽車?yán)鋯拥哪繕?biāo)是-40oC，因此FC-EV仍然需要進一步提升冷啟動能力。
從上面的分析我們可以清楚地看到，低溫對鋰離子動力電池和pEMFC電堆的影響是很不一樣的。相對而言，低溫對鋰離子電池性能的負(fù)面影響更大一些。
燃料電池
鋰離子電池和燃料電池的可靠性比較
電池的可靠性指的是電池發(fā)生事故導(dǎo)致其喪失電能存儲能力的概率。鋰電的可靠性與其安全性問題有很大的關(guān)聯(lián)，但非同一個概念。鋰電發(fā)生安全性事故，必然導(dǎo)致其喪失電能存儲能力。但鋰電喪失電能存儲能力并不是都是因為發(fā)生安全性事故，比如由于容量“跳水”導(dǎo)致的電池失效。
動力電池系統(tǒng)將成百上千個單體電芯通過串并聯(lián)組裝在一起，整個電池系統(tǒng)的可靠性將被急劇放大。從目前國內(nèi)純電動汽車所積累的很有限的使用數(shù)據(jù)來看，大型動力電池系統(tǒng)的可靠性相對而言還不能令人滿意。鋰離子電池可靠性問題的根源在于前面討論過的安全性影響因素，而這幾個因素則是由嵌入式反應(yīng)的本質(zhì)特征所決定的。
在討論pEMFC可靠性問題之前，我們先看看燃料電池的實際應(yīng)用情況。pEMFC實際上是在AFC（堿性燃料電池）的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。而AFC則是為宇航飛行量身定做的動力源，上世紀(jì)七十年代美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）首先將AFC電堆應(yīng)用于美國航天飛機而取得了成功，之后美國國際燃料電池公司（IFC）生產(chǎn)的第三代AFC（標(biāo)稱/極限功率7.0/12.0KW）后來成為美國航天飛機的標(biāo)準(zhǔn)動力源，可見燃料電池技術(shù)本身具有極高的可靠性。
另外一個大規(guī)模使用蓄電池的特種領(lǐng)域就是常規(guī)特種。常規(guī)特種采用高能電池系統(tǒng)可以大大增加其水下活動時間，無疑極具戰(zhàn)術(shù)價值。目前世界各國現(xiàn)役的常規(guī)特種的動力蓄電池幾乎都是采用鉛酸電池，國際上還沒有鋰離子電池在現(xiàn)役常規(guī)特種（主動力蓄電池）或者核動力特種（輔助蓄電池）上裝艇的案例（“雷天生命源稀土鋰離子電池”不在筆者討論范疇）。
西方特種列強至今沒有在其新一代常規(guī)特種上列裝鋰離子動力電池系統(tǒng)的根本原因顯然不是出于價格考量，而主要是因為大型鋰離子動力電池在可靠性尤其是安全性方面存在較大的隱患，并不能滿足特種苛刻的使用環(huán)境。
至于之前有媒體報道的日本最新型的“蒼龍”級常規(guī)特種上將首次使用鋰離子電池，后來澄清由于技術(shù)和預(yù)算問題而放棄，而日本下一代常規(guī)特種已經(jīng)確定將使用pEMFC作為AIp（不依賴空氣推進裝置）動力。
鋰電池
目前全球正在或者即將服役的AIp常規(guī)特種大多采用pEMFC作為主動力電池系統(tǒng)。1987年，德國海軍使用西門子公司（Siemens）的AFC電堆，成功改造了一艘206級試驗艇，使其成為全球第一艘具備實戰(zhàn)能力的燃料電池AIp特種。之后，德國連續(xù)發(fā)展了212和214兩級AIp特種（pEMFC電堆由Siemens和HDW聯(lián)合開發(fā)，2&TImes;120KW），目前已發(fā)展到最新型的216級。
俄羅斯、韓國、澳大利亞、以色列和意大利的新型常規(guī)特種都采用pEMFC燃料電池AIp技術(shù)。我們可以想象，按照特種對可靠性和安全性的極高要求，大型pEMFC電堆單純就技術(shù)層面而言已經(jīng)發(fā)展到了高度完善可靠的程度。
而事實上，我們從AFC和pEMFC的發(fā)展歷程來看，燃料電池從一開始就是定位在大型“動力電池”而發(fā)展起來的，這跟鋰離子電池從小型的手機電池一步步發(fā)展到大型動力電池的道路是完全不一樣的。
以上我們從幾個最主要的技術(shù)層面對鋰離子電池和燃料電池進行了對比分析。正如筆者在開篇就指出的，二次電池是一個電能存儲裝置，而燃料電池則是一個電能生產(chǎn)裝置，這個最本質(zhì)的差別就決定了兩者在應(yīng)用領(lǐng)域的不同定位。
二次電池和燃料電池還有一個很大不同之處，就是包括鋰離子電池在內(nèi)大型二次電池其單體電芯的能量密度要比采用相同電化學(xué)體系的小電池能量密度降低很多，具體原因筆者前面已經(jīng)討論過。
而燃料電池則正好相反，由于可以有效使用輔助系統(tǒng)改善傳質(zhì)、增濕、排水以及溫度等方面，大型燃料電池系統(tǒng)的功率密度要遠(yuǎn)優(yōu)于微小型燃料電池，這正是為什么航天飛機和AIp特種首選大型燃料電池作為其電力供應(yīng)系統(tǒng)主動力源的原因。燃料電池和二次電池諸多不同特點，就決定了二次電池適用于中小功率的儲能用途，而燃料電池則更適合較大功率的應(yīng)用。
因此筆者個人認(rèn)為，鋰離子電池在乘用車上的定位是輔助動力裝置，HEV和pHEV以及小型純電動車是其主要應(yīng)用領(lǐng)域。而pEMFC燃料電池從一開始就是作為大型動力源發(fā)展起來的，是名副其實的“動力電池”。
燃料電池
