解析四大動(dòng)力電池技術(shù)：鋰電池和鋁空氣電池等

　　一、氫燃料電池產(chǎn)業(yè)

　　在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，上游是氫氣的制取、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏，在加氫站對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(yùn)輸、便攜式電源和固定式電源三個(gè)方向。

　　二、動(dòng)力電池優(yōu)劣勢(shì)比較

　　目前在交通運(yùn)輸用動(dòng)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(jí)電容和鋁空氣電池。其中鋰離子電池、超級(jí)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(shí)驗(yàn)室研究階段。能源補(bǔ)給方面，鋰離子電池、超級(jí)電容適用于純電動(dòng)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(bǔ)充鋁板和電解液。

　　四種技術(shù)路線優(yōu)劣勢(shì)比較

　　1、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(wèn)題。同時(shí)由于燃料電池不像發(fā)動(dòng)機(jī)那樣需要將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(gè) 4.5MW 的發(fā)電裝置可以 有 460 個(gè)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(kuò)建容易，可以完全根據(jù)實(shí)際需要分期建設(shè)。同時(shí)氫燃料電池的運(yùn)行質(zhì)量高，應(yīng)對(duì)負(fù)載的快速變動(dòng)（如高峰負(fù)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(shí)將燃料儲(chǔ)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(jī)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(dòng)機(jī)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(guò)增減單電池的片數(shù)即可輕松實(shí)現(xiàn)輸出功率和電壓的調(diào)整，所以建設(shè)起來(lái)也很容易，而且比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)控。燃料電池的這一特點(diǎn)提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　?。?）氫的來(lái)源廣泛

　　氫作為二次能源，可通過(guò)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(shí)，氫將成為世界上的主要燃料及能量。而采用太陽(yáng)能電解水制氫，過(guò)程中沒有碳排放，可以認(rèn)為氫是終極能源。

　?。?）存在的瓶頸

　　從現(xiàn)階段發(fā)展來(lái)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。

　　2、鋰離子電池特性

　?。?）電壓平臺(tái)

　　鋰離子電池由于采用的正負(fù)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

　　當(dāng)前乘用車鋰離子動(dòng)力電池的能量密度接近 200Wh/kg，預(yù)計(jì) 2020 年達(dá)到300Wh/kg。

　　（3）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(dá)到 2000 次以上，成組后僅為 1000 次以上。無(wú)法滿足公交運(yùn)行 8 年期限的要求。

　?。?）對(duì)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(rèn)為是綠色電池，對(duì)環(huán)境污染較小。但實(shí)際上由于其正負(fù)極材料、電解液包含鎳、錳等金屬物，美國(guó)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?yàn)槠浠厥赵倮玫墓に囕^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(duì)環(huán)境影響較大。

　?。?）成本依然較高

　　鋰離子電池初期購(gòu)置成本高，以目前公交車用動(dòng)力電池主流產(chǎn)品磷酸鐵鋰電池為例，價(jià)格大約在 2500 元/kWh，隨著電動(dòng)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(yùn)營(yíng)單位成本壓力較大。

　　（6）對(duì)電網(wǎng)影響較大

　　首先大規(guī)模應(yīng)用純電動(dòng)汽車，由于充電需求較大，充電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾將會(huì)凸顯，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；其次，在快充時(shí)，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(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷沖擊較大。

　　因此，基于目前鋰離子電池的技術(shù)水平來(lái)看，其電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用主要在行駛里程小于 200km 的短途純電動(dòng)汽車中。

　　3、超級(jí)電容器特性

　?。?）極高的充放電倍率

　　超級(jí)電容具備較高的功率密度，可在短時(shí)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(guò)程。超級(jí)電容公交車和有軌電車就是利用此特性在短時(shí)間內(nèi)完成充電，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。

　?。?）循環(huán)壽命長(zhǎng)

　　超級(jí)電容的充放電過(guò)程損耗極小，因此在理論上其循環(huán)壽命為無(wú)窮，實(shí)際可達(dá) 100000 次以上，比電池高 10 ~100 倍。

　?。?）低溫性能較好

　　超級(jí)電容充放電過(guò)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(jìn)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(dá)70%。

　?。?）能量密度太低

　　超級(jí)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(dòng)汽車主電源，大多作為輔助電源，主要用于快速啟動(dòng)裝置和制動(dòng)能量回收裝置。

　　4、鋁空氣電池特性

　?。?）材料成本低、能量密度高

　　鋁空氣電池的負(fù)極活性材料是含量豐富的金屬鋁，價(jià)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(wú)限大。因此鋁空氣電池具有質(zhì)量輕，體積小，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。

　?。?）關(guān)鍵技術(shù)未取得突破，尚未走出實(shí)驗(yàn)室

　　空氣電極極化和氫氧化鋁沉降等問(wèn)題是影響金屬空氣電池走向市場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室階段，距離商業(yè)化推廣還有一段不小的距離。