和鋰電池相比，氫燃料電池有哪些優(yōu)勢你知道嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-16 19:35
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近年來，我國對于燃料電池產(chǎn)業(yè)化的推動，堅定而又明確。氫燃料電池是未來國家發(fā)展能源結(jié)構(gòu)的關鍵技術(shù)，當前，有利于氫燃料電池汽車發(fā)展的外部環(huán)境正在逐步形成，氫燃料電池領域正在成為行業(yè)新的發(fā)展方向。
自2018年我國提高了對純電動乘用車的補貼門檻、補貼力度也有所下降，然而對氫燃料電池汽車卻持鼓勵態(tài)度，補貼平穩(wěn)且持續(xù)到2020年不實行補貼退坡。與此同時，上海、廣州、武漢、西安、杭州等城市，也都紛紛出臺了相關政策，支持氫燃料電池汽車的發(fā)展。
那么，和鋰電池相比，氫燃料電池有哪些優(yōu)勢？
從技術(shù)層面上來講，鋰電池生產(chǎn)技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)鏈完善、可以批量化生產(chǎn)，且生產(chǎn)成本較低，目前正處于規(guī)模效應擴大階段。根據(jù)公開資料顯示，鋰電池造價成本低，商業(yè)化運作則較為成熟。相對而言，氫燃料電池制造的難度較大，對于質(zhì)子交換膜、關鍵材料催化劑、雙極板等技術(shù)的要求較高，而這些關鍵技術(shù)，又主要掌握在美國、歐洲、日本等外國手中。
從環(huán)保層面來講，鋰電池能量密度為90到140Wh／kg，三元鋰電池理論能量密度是300到350Wh／kg，密度較低，且易燃、反應產(chǎn)物有毒、含有多重金屬，如果回收不當，就會對環(huán)境造成污染。如果鋰電池能提升能量密度，優(yōu)化循環(huán)使用壽命，會更具競爭力。
而氫燃料電池作為一種發(fā)電的裝置，能量密度要高于鋰離子電池，目前能達到600Wh／kg，理論上限是1到2萬Wh／kg，提升空間較大。并且氫燃料電池可以直接加氫，補給時間較短，續(xù)航能力也能夠輕松達到500km以上，排出物僅是水，沒有污染，在使用壽命結(jié)束后，并不會對環(huán)境造成污染，符合環(huán)保理念。
從成本角度來看，隨著技術(shù)的進步和商業(yè)化程度的提高，氫燃料電池成本下降的空間較大。而鋰電池如果考慮到電網(wǎng)端擴容的成本，其綜合配套成本高于燃料電池。鋰電池的度電成本為1200元／kWh，電池成本為4．5萬元。氫燃料電池成本主要是電池組和高壓儲氫罐，目前100kw電池組成本為10萬元，預測年產(chǎn)50萬臺后，單位成本將降至2萬元。
從時間來看，氫燃料電池加氫只需要3—20分鐘；而鋰電池充電則是一個緩慢的過程，大概需要30分鐘—3個小時。即使特斯拉推出的超級充電站，通常也需要1個小時以上。
從續(xù)航里程來看，氫燃料電池可達600km以上，且提升空間大。而鋰電池的續(xù)航里程為400km左右，續(xù)航里程很容易受環(huán)境溫度的制約，而且會出現(xiàn)鋰電池老化的現(xiàn)象。
綜上來看，氫燃料電池的核心技術(shù)、車輛和加氫站建設的巨大成本、安全等問題依然是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大瓶頸。未來的汽車主要由電動機驅(qū)動，但汽車的未來是插電式的純電動車還是氫燃料電池車，目前還無定論。從環(huán)保性和可持續(xù)發(fā)展的角度看，氫燃料電池比鋰電池更有發(fā)展前景，但從短期的經(jīng)濟效益來看，發(fā)展鋰電池要比氫燃料電池有市場競爭力。
據(jù)外媒報道，由于儲能密度高，金屬氧化物、硫化物和氟化物等材料，是前景極好的電動汽車鋰離子電池電極材料。但是，它們的儲能能力衰退很快。日前，科學家們通過研究一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池發(fā)現(xiàn)，電池充放電超過100次后產(chǎn)生的損耗，是由氧化鋰積累和電解質(zhì)分解造成的。
研究過程中用到的氧化鐵電極，由廉價無毒的磁鐵礦制成。比起目前的電極材料，磁鐵礦等轉(zhuǎn)換型電極材料（即和鋰發(fā)生反應時轉(zhuǎn)換為全新產(chǎn)物），可以儲存更多的能量，因為它們可以容納更多鋰離子。“然而，這些材料的儲能能力衰減非常快，并且依賴于電流密度。例如，我們對磁鐵礦的電化學測試顯示，磁鐵礦的容量在前10個高速充放電周期內(nèi)急速下降。”此項研究負責人、功能納米材料中心（CFN）電子顯微鏡小組的領導Dong Su表示。CFN是設于布魯克海文國家實驗室內(nèi)的美國能源部科學用戶設施辦公室。
為了找出循環(huán)不穩(wěn)定的原因，科學家們試圖觀察，當電池完成100次循環(huán)后，磁鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)變化情況。他們結(jié)合透射電子顯微鏡（TEM）和同步X射線吸收光譜（XAS），進行研究。TEM的電子束通過樣本傳輸，產(chǎn)生特征物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖像或衍射圖案，XAS利用X射線來探測材料的化學性質(zhì)。
科學家們利用這些技術(shù)發(fā)現(xiàn)，第一次放電時，磁鐵礦完全分解成金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來的充電過程中，這種轉(zhuǎn)化反應并不是完全可逆的，金屬鐵和氧化鋰的殘留物仍然存在。此外，磁鐵礦原始的“尖晶石”結(jié)構(gòu)在帶電狀態(tài)下演化為“巖鹽”結(jié)構(gòu)（在兩種結(jié)構(gòu)中，鐵原子的位置并不完全相同）。在隨后的充放電循環(huán)中，巖鹽氧化鐵與鋰相互作用，形成氧化鋰與金屬鐵納米顆粒的復合物質(zhì)。因為轉(zhuǎn)化反應不是完全可逆的，這些殘余產(chǎn)物會逐漸積累起來?？茖W家們還發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)（使鋰離子在兩個電極之間流動的化學介質(zhì)）在隨后的循環(huán)中會分解。
在研究結(jié)果的基礎上，科學家們提出一種儲能能力衰退的解釋。CFN電子顯微鏡小組的科學家、共同首席作者Sooyeon Hwang說，“由于氧化鋰的電子導電性較低，它的積累會對在電池正負極之間穿梭的電子形成屏障，我們把它叫做內(nèi)部鈍化層。同樣，電解質(zhì)分解也會形成表面鈍化層，阻礙離子傳導。這些障礙累積起來，阻礙電子和鋰離子到達發(fā)生電化學反應的活性電極材料。”
科學家們指出，在低電流下運行電池，可以通過減慢充電速度，恢復部分容量為電子傳輸提供足夠的時間；然而，要徹底解決這一問題，還需要其他方案。他們認為，在電極材料中添加其他元素和改變電解質(zhì)，可以改善容量衰減。
