燃料动力电池能量密度的决定性因素【钜大锂电】

相比于锂离子电池而言，燃料动力锂电池的能量密度并不取决于燃料动力锂电池电堆本身，而取决于其携带的氢气重量。简单地说，燃料动力锂电池电堆相当于一个发动机，它决定电动汽车的功率也就是速度和加速性，而燃料动力锂电池系统的整体能量则取决于“油箱”也就是储氢系统所储存的氢气质量（氧气来自于空气）。

就目前的技术水平而言，国际上几大汽车公司（Toyota，GM，Honda，Nissan，Daimler-Benz）开发的车载PEMFC电堆的的体积跟普通四缸汽油机相差不大，ToyotaMirai的PEMFC电堆功率密度达到了3.1KW/L和2.0KW/Kg的水平，这个功率指标已经很接近汽油机。使用宇部兴出现产的超高压碳纤维增强尼龙储氢瓶可以储存5Kg氢气，整个燃料动力锂电池系统的能量密度超过350Wh/Kg，续航里程达到了空前的650公里水平（Toyota官网数据）。相比之下，TeslaModelS的锂电动力锂离子电池系统的能量密度仅为156Wh/Kg，其理论续航里程为480Km，但这是以较大程度牺牲有效载荷为代价取得的（其电池系统占整车重量的26%，远高于普通轿车动力系统的16%）。

有关一个功率一定的燃料动力锂电池系统，其能量密度实际上是由储氢系统的储氢质量/体积百分比决定的。因此，在不新增系统重量或者体积的前提下，进一步提高FC-EV的续航里程就必须采用更高效率的储氢系统。就目前代表国际最高技术水平的宇部兴产高压储氢瓶而言，700bar（5.7wt%的储氢量）几乎已经到了其实际使用的极限。我们再次看到，开发更高储氢率的新型储氢材料的战略意义（不仅有关燃料动力锂电池，同样也是有关镍氢电池和其它与储氢有关的领域）。过去数十年，国际上新型储氢材料的研究并没有取得突破性进展，至于之前我国学术界非常热门的碳纳米管（CNT）储氢和金属有机框架（MOF）储氢，则受到国际学术界的广泛质疑。因此，新型储氢材料的研究任重而道远。

比较锂离子动力锂离子电池和燃料动力锂电池，我们可以看到，锂离子动力锂离子电池能量密度进一步提升的空间非常有限。假如从最基本电化学原理的角度思考，这个问题并不难理解，二次电池的能量密度新增并不遵循摩尔定律。能量密度更高的新型化学电源体系目前还都出于基础研究阶段，产业化前景依然很不明朗。相对而言，PEMFC的能量密度问题并不是很突出，即便是通过最简单的新增储氢罐数量来保证续航里程，可操作性也相比较较容易。

我们也可以从另外一个角度进行思考，二次电池必须向全密封系统发展而力求做到免维护（对锂电而言则是绝对必须），而正是因为二次电池是个密封系统，才决定了它的能量密度不可能很高。否则的话，一个密闭的高能体系在本质上跟炸弹有何差别？从最基本的能量守恒定律就讲不通！那么从这个角度就很容易理解，锂离子电池（实际上也包含所有二次电池体系）的能量密度提升空间将是很有限的。而燃料动力锂电池则是一个开放式系统，电堆只是电化学反应场所而已，系统的能量密度重要取决于储氢系统的储存量。正因为是个开放体系，燃料动力锂电池在能量密度上提高的潜力更大，并且先天具有更好的安全性，这个优点恰恰是任何一种二次电池都不具备的。站在电化学器件的角度，相较于二次电池，燃料动力锂电池是化学电源的一个更高的发展层次。