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四大動力電池技術路線優劣勢

發布日期:2016-05-18 來源: 中國電池聯盟 查看次數: 3859 

核心提示:一、氫燃料電池產業鏈在氫燃料電池產業鏈中,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進行氫氣的加注;中游是電堆等關鍵零部件的生產,將電堆和配件兩大部分進行集成,形成氫燃料電池系統;在下游應用層面,主要有交通運輸、便攜式電源和固定式電源三個方向。二、動力電池優劣勢比較目前在交通運輸用動力源方面,主要有四種技術路線: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

  一、氫燃料電池產業鏈

  在氫燃料電池產業鏈中,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進行氫氣的加注;中游是電堆等關鍵零部件的生產,將電堆和配件兩大部分進行集成,形成氫燃料電池系統;在下游應用層面,主要有交通運輸、便攜式電源和固定式電源三個方向。

  二、動力電池優劣勢比較

  目前在交通運輸用動力源方面,主要有四種技術路線: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。

  四種技術路線優劣勢比較

  1 氫燃料電池特性

  (1)良好的環境相容性

  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動機那樣需要將熱能轉換為機械能,而是直接把化學能轉化為電能和熱能,能量轉換效率高,噪音小。

  (2)良好的操作性能

  氫燃料電池發電,不需要復雜龐大的配置設備,電池堆可以模塊化組裝。例如,一個4.5MW的發電裝置可以有460個電池組件組成,其發電廠占地面積比火力發電廠小得多。氫燃料電池適合作為分散發電裝置。另外與火力、水力和核能發電相比,氫燃料電池電廠的建設周期短,擴建容易,可以完全根據實際需要分期建設。同時氫燃料電池的運行質量高,應對負載的快速變動(如高峰負載)特性優良,在數秒內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化為電和熱,轉換電能的效率在40%以上,而汽輪機只有1/3可以轉化為電。

  (4)靈活的結構特性

  氫燃料電池組裝非常靈活,功率大小容易調配,與傳統發動機相比,由于氫燃料電池良好的模塊性可以在不增加基礎設施投資的基礎上,通過增減單電池的片數即可輕松實現輸出功率和電壓的調整,所以建設起來也很容易,而且比較容易實現對電網的調控。燃料電池的這一特點提高了系統穩定性。

  (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

  從現階段發展來看,氫燃料電池的普及遇到一定的瓶頸,如電池本身成本較高,基礎設施尚未普及等。

  2 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,其中應用規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。

  (2)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,預計2020年達到300Wh/kg。

  (3)電池壽命短

  由于電化學材料特性的制約,鋰離子電池的循環次數沒有取得突破,以磷酸鐵鋰為例,單體電池循環次數可以達到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。

  4)對環境影響較大

  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,美國已經將鋰離子電池歸類為一種包含易燃、浸出毒性、腐蝕性、反應性等有毒有害性的電池,是目前各類電池中包含毒性物質最多的電池,并且因為其回收再利用的工藝較為復雜導致成本較高,因此目前的回收再利用率不高,廢棄的電池對環境影響較大。

  (5)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次數的制約,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。

  (6)對電網影響較大

  首先大規模應用純電動汽車,由于充電需求較大,充電設備對電網的諧波干擾將會凸顯,影響電網的供電質量;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),對電網的負荷沖擊較大。

  因此,基于目前鋰離子電池的技術水平來看,其電動汽車方面的應用主要在行駛里程小于200km的短途純電動汽車中。

  3 超級電容器特性

  (1)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完成充電,驅動車輛前進。

  (2)循環壽命長

  超級電容的充放電過程損耗極小,因此在理論上其循環壽命為無窮,實際可達100000次以上,比電池高10~100倍。

  (3)低溫性能較好

  超級電容充放電過程中發生的電荷轉移大部分都在電極活性物質表面進行,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%。

  (4)能量密度太低

  超級電容應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。

  4 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,環保,正極活性物質是空氣中的氧氣,正極容量可視無限大。因此鋁空氣電池具有質量輕,體積小,使用壽命長的優勢。

  (2)關鍵技術未取得突破,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,距離商業化推廣還有一段不小的距離。

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