燃料动力电池与锂离子电池比较介绍

锂离子电池

锂离子电池首要是指在电极材料中运用了锂元素作为首要活性物质的一类电池，首要包含锂金属电池和锂离子电池两大类。本文中讲的锂离子电池首要为锂离子电池。

锂离子电池是一种二次电池，它首要依托锂离子在正极和负极之间移动来作业，是能够充放电的电池。锂离子电池的结构首要包含正极、隔阂、负极、电解液和电池外壳。

正极：一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料（俗称三元），纯的锰酸锂和磷酸铁锂则因为体积大、功能欠好或本钱高而逐渐淡出。

隔阂：为一种经特别成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，能够让锂离子自由经过，而电子不能经过。

负极：一般为石墨，或近似石墨结构的碳。

电解液：是电池中离子传输的载体，一般由锂盐和有机溶剂组成，首要效果是在锂离子电池正、负极之间传导锂离子。

电池外壳：分为钢壳（方型很少运用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池运用）、铝塑膜（软包装）等，首要用来维护电池用。

锂离子电池依据正极材料分首要包含钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元锂、磷酸铁锂等，现在在车用方面较为老练的为磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池，前者的代表是比亚迪，后者为特斯拉。

燃料动力电池

燃料动力电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学设备，又称电化学发电器。

它是按电化学原理,即原电池作业原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际进程是氧化还原反应。

燃料动力电池首要由三部分组成，电极、电解质和外部电路。

燃料动力电池的电极是燃料发作氧化反应与氧化剂发作还原反应的电化学反应场所，首要包含阳极和阴极，厚度一般为200－500mm，其结构与一般电池的平板电极不同为多孔结构，目的是进步燃料动力电池的实际作业电流密度。

电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的效果。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质一般为细密结构。

外部电路一般有双极板构成，双极板具有搜集电流、分隔氧化剂与还原剂、引导反应气体等效果，其功能首要取决于其材料特性、流场规划及其加工技能。

常用的燃料动力电池按其电解质不同，能够分为质子交流膜燃料动力电池（PEMFC）、固体氧化物燃料动力电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料动力电池（MCFC）、磷酸燃料动力电池（PAFC）和碱性燃料动力电池（AFC）。

质子交流膜燃料动力电池（PEMFC）因为具有多种功能优势，包含电池操作温度低、发动速度快等，是现在运用较为老练和广泛的燃料动力电池，在全球出货量和出货兆瓦数方面占有主导地位。

燃料动力电池的燃料首要是氢气、甲醇等碳氢化合物。本文中的燃料动力电池首要以氢燃料动力电池为例进行剖析。

两种电池的全方位比较

同为新动力锂电池，锂离子电池输入/输出电能，实际上是先将输入的电能储备起来，待到用时再经过输出的设备输出电能。

燃料动力电池其实相当于传统轿车的内燃机。内燃机烧油，仅仅能量转化设备，不是储能设备；燃料动力电池烧氢气，也是能量转化设备，不是储能设备。

而锂离子电池是储能设备，所以严格来说，燃料动力电池不是电池，是发动机。

因而，燃料动力电池是发电设备，而锂离子电池是储能设备。下表为两种动力锂电池的归纳比较，比较要素包含归纳功能方面、本钱、方针支撑、资源束缚性、环境维护、商业化程度。

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能量密度

能量密度（Energydensity）是指在必定的空间或质量物质中贮存能量的大小。电池的能量密度是电池均匀单位体积或质量所释放出的电能。

电池的能量密度又分为单体电芯的能量密度和电池体系的能量密度，电池体系的能量密度低于单体电芯。

锂离子电池体系归于封闭体系，因为受制于锂元素特性，已现在在锂离子电池中能量密度最高的三元锂离子电池为例，其单体能量密度也仅为1.08MJ/kg（电池包体系衰减20%）。

未来假如要进步锂离子电池的能量密度，需依托全固态电池技能的打破，但其能量密度上限也不高。

燃料动力电池体系归于开放性体系，其能量密度实质上取决于储氢量，氢气自身的能量密度为143MJ/Kg，并且现在燃料动力电池体系能量密度超过350wh/kg，未来跟着储氢技能的进步，能量密度进步仍有十分大的空间。

功率密度

功率密度是动力锂电池最大输出功率与电池体系质量或体积的比值。

锂离子电池体系假如进步其输出功率使其能够高功率放电，一般解决办法是添加电池数量，这样一起会加大整个电池体系的分量，即使Tesla选用了现在能量密度最好的三元电池，其电池组件分量都接近半吨。

因而锂离子电池体系高功率放电与高续航路程无法兼容，功率密度进步有限。

燃料动力电池本质上能够理解为以氢气为原料的化学发电体系，因而输出功率比较稳定，一般为了最大进步放电功率只需附加动力锂电池体系即可，如丰田Mirai配套了镍氢电池。

燃料动力电池体系作为一个开放动力体系，输出功率进步简单，附加的电池也不会添加过多分量，丰田Mirai功率密度到达了2036W/kg。

安全性

无论搭载锂离子电池的纯电动汽车仍是搭载燃料动力电池的轿车，只需是轿车那么安全性就是最重要的指标。

锂离子电池作为封闭的能量体系，从原理上高能量密度和安全性就很难兼容，假如单纯追求高能量密度，那么整个锂离子电池体系就相当于炸弹。

因而现在干流工艺道路中，能量密度低的磷酸铁锂安全性较好，电池温度到达500~600度时才开端分化，根本不要太多的维护辅佐设备。

Telsa选用的三元电池能量密度虽高，但不耐高温，250~350度就会分化，安全性差。

其解决方法是并联了超过7000节的电池，大幅降低了单个电池漏液，爆破带来的风险。

可是假如剖析特斯拉轿车发作的事端，要么是细微的磕碰，要么是静态状况，但电池却着火了，因而其安全性方面还存在许多问题。

燃料动力电池自身安全性很好，其用于车载后，因而其安全性首要来自于储氢体系。

但经过很多的实验证明，比较汽油和天然气这两种常见的车用可燃气体，氢气的安全性并不差。

并且现在车用储氢设备都选用碳纤维材料，在80KM/h速度多角度磕碰测试中都能够做到毫发无损。

即使车祸导致走漏，因为氢气爆破要求浓度高，在爆破前一般就现已开端焚烧，反而很难爆破。

并且氢气分量轻，溢出体系的氢气着火后会敏捷向上升起，反而必定程度上维护了车身和乘客。因而跟着商业化推进，其整体安全性是可控的。

牢靠性

电池的牢靠性指的是电池发作事端导致其损失电能存储才能的概率。

锂离子电池的牢靠性与其安全性问题有很大的关联，可是却不是一个概念。锂离子电池发作安全性事端，必定将导致其损失电能存储才能。

但锂电损失电能存储才能并不都是发作安全性事端而导致，比方因为容量跳水导致的电池失效。

锂离子电池体系是由成百上千个单体电芯经过串并联组装在一起的，因而整个电池体系的不牢靠性将被急剧放大。

从国内纯电动轿车所积累的数据来看，锂离子电池体系的牢靠性现在还不能令人满意。

而燃料动力电池从上个世纪70年代就现已运用于航天飞机，美国国际燃料动力电池公司（IFC）出产的第三代AFC（标称/极限功率7.0/12.0KW）后来成为美国航天飞机的标准动力源。

现在全球正在或者行将执役的惯例特种大多选用PEMFC（质子交流膜燃料动力电池）作为主动力锂电池体系。

俄罗斯、韩国、澳大利亚、以色列和意大利的新型惯例特种都选用PEMFC燃料动力电池技能，大型PEMFC电堆单纯就技能层面而言现已开展到了高度完善牢靠的程度。

因而燃料动力电池具有极高的牢靠性。

环境温度适应性

因为轿车运用地域的广泛性，有关新动力轿车而言，温度适应性就十分重要了，其能适应什么样的温度规划则取决于动力锂电池自身。

当时，锂离子电池在零度以上的生活环境中功能不会受到到影响，可是零度以下出现的问题是其急需解决的难题。

锂电的低温功能首要取决于温度对电极材料的电导、离子扩散系数以及电解液电导率的影响。

低温下电解液的粘度增大电导率下降，导致电池极化急剧添加。特别当锂离子电池在接近零度时，其功能急剧下降，-20℃几乎无法正常作业。

并且低温下频频充放电会严重恶化锂离子电池的寿命，并且简单导致负极析出锂而带来安全隐患。

燃料动力电池在发动以后，因为电池自身的作业原理睬放热，即使是在很低的环境温度下燃料动力电池电堆的温度也会很快稳定在80~90℃的正常作业温度规划。

丰田和本田公司的燃料动力电池轿车现已做到了-30℃发动，可是有关燃料动力电池而言，仍然要持续进步其在低温下的功能，-40℃是未来的首要方针。