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四大动力电池技术路线优劣势

发布日期:2016-05-18 来源: 中国电池联盟 查看次数: 3833 

核心提示:一、氢燃料电池产业链在氢燃料电池产业链中,上游是氢气的制取、运输和储藏,在加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注;中游是电堆等关键零部件的生产,将电堆和配件两大部分进行集成,形成氢燃料电池系统;在下游应用层面,主要有交通运输、便携式电源和固定式电源三个方向。二、动力电池优劣势比较目前在交通运输用动力源方面,主要有四种技术路线:锂离子电池、氢燃料电池、超级电容和铝空气电池。其中锂离子电池、超级电容和氢

  一、氢燃料电池产业链

  在氢燃料电池产业链中,上游是氢气的制取、运输和储藏,在加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注;中游是电堆等关键零部件的生产,将电堆和配件两大部分进行集成,形成氢燃料电池系统;在下游应用层面,主要有交通运输、便携式电源和固定式电源三个方向。

  二、动力电池优劣势比较

  目前在交通运输用动力源方面,主要有四种技术路线:锂离子电池、氢燃料电池、超级电容和铝空气电池。其中锂离子电池、超级电容和氢燃料电池得到广泛的应用,而铝空气电池尚处于实验室研究阶段。能源补给方面,锂离子电池、超级电容适用于纯电动汽车,但是需要外部充电,而氢燃料电池汽车则需要外部氢气加注,铝空气电池则需要补充铝板和电解液。

  四种技术路线优劣势比较

  1 氢燃料电池特性

  (1)良好的环境相容性

  氢燃料电池提供的是高效洁净能源,其排放的水不仅量少,而且非常干净,因而不存在水污染问题。同时由于燃料电池不像发动机那样需要将热能转换为机?#30340;埽?#32780;是直接把化学能转化为电能和热能,能量转换效率高,噪音小。

  (2)良好的操作性能

  氢燃料电池发电,不需要复?#20248;?#22823;的配置设备,电池堆可以模块化组装。例如,一个4.5MW的发电装置可以有460个电池组件组成,其发电厂占地面积比火力发电厂小得多。氢燃料电池适合作为分散发电装置。另外与火力、水力和?#22235;?#21457;电相比,氢燃料电池电厂的建设周期短,扩建容易,可以完全根据?#23548;市?#35201;分期建设。同时氢燃料电池的运行质量高,应对负载的快速变动(如高峰负载)特性优良,在数秒内就可?#28304;?#20302;功率变换到额定功率。

  (3)高效的输出性能

  氢燃料电池工作时将燃料储存的能量转化为电和热,转换电能的效率在40%以上,而汽轮机只有1/3可以转化为电。

  (4)灵活的结?#22266;?#24615;

  氢燃料电池组装非常灵活,功率大小容易调配,与传统发动机相比,由于氢燃料电池良好的模块性可以在不增加基础设施投资的基础上,通过增减单电池的片数?#32431;?#36731;松实现输出功率和电压的调整,所以建设起来也很容易,而且比较容?#36164;?#29616;对电网的调控。燃料电池的这一特点提高了系统稳定性。

  (5)氢的来源广泛

  氢作为二次能源,可通过多种方?#20132;?#24471;,如煤制氢、天然气重整制氢、电解水制氢等?#21462;?#22312;化石能源被耗尽时,氢将成为世界上的主要燃料及能量。而采用太阳能电解水制氢,过程中没有碳排放,可以认为氢是?#21344;?#33021;源。

  (6)存在的瓶颈

  从现阶段发展来看,氢燃料电池的?#21344;?#36935;到一定的瓶颈,如电池本身成本较高,基础设施?#24418;雌占暗取?/p>

  2 锂离子电池特性

  (1)电压平台

  锂离子电池由于采用的正负极材料不同,其单体电池的工作电压?#27573;?#20026;3.7~4V,其中应用规模较大的磷酸铁锂单体电池工作电压为3.2V,是镍氢电池的3倍、铅酸电池的2倍。

  (2)比能量大

  当前乘用车锂离子动力电池的能量密度接近200Wh/kg,预计2020年达到300Wh/kg。

  (3)电池寿命短

  由于电化学材料特性的制约,锂离子电池的循环次数没有取得突破,以磷酸铁锂为例,单体电池循环次数可?#28304;?#21040;2000?#25105;?#19978;,成组后仅为1000?#25105;?#19978;。无法满足公交运行8年期限的要求。

  4)对环境影响较大

  锂离子电池采用轻金属锂,尽管不含汞、铅等有害重金属,被认为是绿色电池,对环境污染较小。但?#23548;?#19978;由于其正负极材料、电解液包含镍、锰等金属物,美国已经将锂离子电池归类为一种包含易燃、浸出毒性、腐蚀性、反应性等有毒有害性的电池,是目前各类电池中包含毒性物?#39318;?#22810;的电池,并且因为其回收再利用的工艺较为复杂导致成本较高,因?#22235;?#21069;的回收再利用率不高,废弃的电池对环境影响较大。

  (5)成本依然较高

  锂离子电池初期购置成本高,以目前公交车用动力电池主流产品磷酸铁锂电池为例,价格大约在2500元/kWh,随着电动汽车的?#21344;埃?#26377;望在2020年降低到1000元/kWh以下。由于单体电池成组后循环次数的制约,公交车通常在3年左右即需要更换电池,运营单位成本压力较大。

  (6)对电网影响较大

  首先大规模应用纯电动汽车,由于充电需求较大,充电设备对电网的谐波干扰将会凸显,影响电网的供电质量;其次,在快充时,由于是大倍率充电,因此充电功?#24335;?#39640;(乘用车在50kW、?#32479;?#22312;150~250kW左右),对电网的负荷冲击较大。

  因此,基于目前锂离子电池的技术水平来看,其电动汽车方面的应用主要在行驶里程小于200km的短途纯电动汽车中。

  3 超级电容器特性

  (1)极高的充放电倍率

  超级电容具备较高的功率密度,可在短时间内放出几百到几千安培的电流,充电速度快,可在几十秒到几分钟内完成充电过程。超级电容公交车和有轨电车就是利用此特性在短时间内完成充电,驱动车辆前进。

  (2)循环寿命长

  超级电容的充放电过程损耗极小,因此在理论上其循环寿命为无穷,?#23548;?#21487;达100000?#25105;?#19978;,比电池高10~100倍。

  (3)低温性能较好

  超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物?#26102;?#38754;进行,所以容量随温度衰减非常小,而通常锂离子电池在低温下容量衰减幅度甚至高达70%。

  (4)能量密度太低

  超级电容应用的瓶颈之一就是能量密度太低,仅为锂离子电池的1/20左右,约10Wh/kg。因此不能作为电动汽车主电源,大多作为辅助电源,主要用于快速启动装置和制动能量回收装置。

  4 铝空气电池特性

  (1)材料成本低、能量密度高

  铝空气电池的负极活性材料是含量丰富的金属铝,价格便宜,环保,正极活性物质是空气中的氧气,正极容量可?#28216;?#38480;大。因此铝空气电池具有质量轻,体积小,使用寿命长的优势。

  (2)关键技术未取得突破,?#24418;?#36208;出实验室

  空气电极极化和氢氧化铝?#20004;?#31561;问题是影响金属空气电池走向市场化的重要障碍,铝空气电池性能的提高遇到很大的瓶颈。目前尚处于实验室阶段,距离商业化推广还有一段不小的距离。

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