锂离子电池与燃料电池最全面对比解析

电动知家 2020-01-06 10:14:01

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新能源汽车的发展越来越快，以Tesla为代表的电动汽车风光无限，而以丰田Mirai为代表的燃料电池车也是备受关注。锂离子电池和燃料电池作为电动汽车和燃料电池车的核心零部件，对其发展起决定性作用。

本文从工作原理、性能、安全性等方面介绍了锂离子电池与燃料电池的特点，加深对其的理解与认识。

一、锂离子电池与燃料电池的工作原理

锂离子电池是一种储能装置，目前常用的锂离子电池按正极材料可以分为磷酸铁锂电池、三元电池和锰酸锂电池等。以磷酸铁锂电池为例：放电时正极中的磷酸铁和从负极经过电解液传到过来的锂离子以及外部电路传导过来的电子结合生成磷酸铁锂，负极石墨层中所嵌的锂脱出，变成锂离子和电子分别经过电解液和外部电路传导到正极。

燃料电池其本质是一种发电机，其燃料和氧化剂不经过燃烧而直接通过电化学反应转化成电能。因此，燃料电池不受卡诺循环的限制，能量转化效率高。燃料电池作为电能转化装置时，它的效率可以达到60％，甚至在作为热电联产装置时它的效率高达80％。

燃料电池按照其电解质的不同分为碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，固体氧化物燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，质子交换膜燃料电池。不同类型的燃料电池应用领域和使用环境不同，质子交换膜燃料电池的使用温度范围为室温至80℃左右，目前在燃料电池车上使用的基本都是这种类型。

以质子交换膜燃料电池为例，发电时，正极氧气和从负极传导过来的氢离子以及外部电路传导过来的电子结合生成水，负极氢原子失去电子变成氢离子和电子分别经过电解质和外部电路传到正极。锂离子电池和燃料电池基本原理、正负极材料等如表1所示。

二、锂离子电池与燃料电池的主要技术特性

1 性能

锂离子电池和燃料电池内部发生的化学反应已经决定了电池的可逆电动势。对于一个电化学反应，其可逆电动势可由公式（1）计算为：

其中ΔＧ是在标准状态下电化学反应的吉布斯自由能的变化，吉布斯自由能的变化反映了电化学反应在热力学上的可能性，ΔＧ的大小由反应本身的性质、反应物和生成物的浓度以及反应温度决定。ｎ为每摩尔反应物转移的电子摩尔数，Ｆ为法拉第常数。

在标准状态下燃料电池的可逆电动势为1.25V左右，可逆电动势随温度升高而降低。而对于锂离子电池，由于在反应过程中正负极材料的结构不断发生变化，因此其可逆电动势也不断变化，电池的可逆电动势与反应发生的程度有对应的关系，因此可以根据OCV-SOC曲线，通过测量OCV判断电池的荷电状态。燃料电池和锂离子电池在实际使用过程中性能曲线如表２所示。

2 能量密度

电动汽车完全以电池作为动力，更强调充电后的续驶能力，因而更关注电池的能量密度。锂离子电池能量密度提升受制于电池材料理论瓶颈。目前，国内电动汽动力型动力电池正极材料以磷酸铁锂和三元材料为主，负极材料仍主要采用石墨材料，其比能量约为90-140Wh/kg。

而燃料电池是一种发电装置，能量密度远高于锂离子电池。在与能量密度直接对应的整车续驶里程方面，顶级豪华电动汽车Tesla的续驶里程刚达到500km；而以丰田 Mirai、现代ix35为典型代表的燃料电池车续驶里程都在500km以上。因此在能量密度方面，燃料电池比锂离子电池好。

3 寿命

燃料电池和锂离子电池的性能都会随着电池使用程度的加深而变差。并且汽车的起停和加减速工况占总工况的很大一部分，这使得电池工作电流区间跨度大，且电流变化率也非常大，这无疑会缩短电池寿命。因此，对动力型燃料电池和锂离子电池的寿命问题进行研究成为其使用关键问题之一。

4 成本

目前，国内锂离子电池系统的成本在1800元/kWh左右，燃料电池堆（不含系统中的燃料系统等各种附件）的成本在5000元/kW左右。对于一辆普通轿车，假设是电动汽车，电量配置60kWh其成本在9.6万元。如果是燃料电池车，功率配置100kW，电堆成本在50万左右。

燃料电池的成本目前明显高于锂离子电池，这是限制燃料电池发展的瓶颈。一般认为，燃料电池的成本偏高主要是由于使用了贵金属Pt，而实际Pt的成本计算如下：目前较高的Pt载量的水平为：0.44mg/cm2，其电性能水平为1600Ma＠0.6V/cm2，即0.96W/cm2。对于100kW的燃料电池系统中使用的Pt含量为41.67g。Pt的价格按照500元/g计算，使用的Pt的成本为41.67×500＝20833元。对于100kW的燃料电池堆的成本在50万元以上，Pt的成本只占总成本的4％左右。燃料电池的成本主要是因为目前材料和系统的工艺都不太成熟，而随着商业化的发展，其成本必然有非常大幅度下降。

5 安全性与相关法规

动力电池的安全性是电动汽车发展过程中首先需要考虑和解决的问题。动力型锂离子电池安全性的提高需要建立从材料、电池及关键部件到系统安全保障等一系列技术措施。随着单体电池的大型化和成组化使用，动力型锂离子电池系统安全问题面临着新的挑战。

而燃料电池的燃料是氢气，属于易燃易爆气体，因此市场普遍担心其的安全性问题，而实际上氢气的安全性相较于汽油和天然气并不差。单体层级燃料电池的安全设计少于锂离子电池。系统集成层级燃料电池系统比锂离子电池系统复杂。由于使用了可燃气体氢气，多了对氢气的泄露保护设计。由于需要防止质子交换膜润湿不充分带来的影响，需要通过监控内阻来监控内部湿度的变化。燃料电池和锂离子电池相关安全性设计如表4所示。

动力型锂离子电池的还原剂和氧化剂都存储在同一个装置中，之间仅有一层微米级别厚度的隔膜，而燃料电池的还原剂和氧化剂在电池外部分开放置。从原理上讲，燃料电池的安全性优于锂离子电池。通过一系列的安全防护，两种电池的安全性都在可接受的程度。

为了保证动力电池的安全性，国家针对动力型锂离子电池和燃料电池制定了一系列的标准，从而确保动力电池的安全性、可靠性。如表5所示，燃料电池相对锂离子电池的标准偏少，发行时间早，标准与现状符合性不如锂离子电池。电动汽车有对应的定型试验规程《GB/T18388-2005电动汽车定型试验规程》，而燃料电池车定型规程作为汽车行业对于新能源汽车产品定型的一个必备标准急待推出。

三、前景及展望

综合来看，在能量密度、寿命和安全性方面燃料电池优于锂离子电池；而在成本方面，燃料电池比不上锂离子电池。目前锂离子电池的关键技术为能量密度提升，安全性，热管理，系统集成优化控制等；燃料电池的关键技术有耐久性，冷启动，系统集成优化控制等。

无论燃料电池还是锂离子电池，相关的技术均有大量进步的空间。对于锂离子电池来说，如果其能量密度能够进一步提高，循环寿命能够更长，则也是一种非常优秀的驱动能源。如果燃料电池的成本能够降低，则能够真正作为汽油/柴油燃料的替代能源。能量密度的提升面临基础学科领域的瓶颈，很难得有质的提升；而成本的降低，可以通过商业化解决。因此短期来看，锂离子电池比燃料电池更适用；长期来看，燃料电池比锂离子电池更有发展前景。