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新能源汽车动力源探讨:锂离子电池VS燃料电池(二)

新能源汽车动力源探讨:锂离子电池VS燃料电池(二)

发布时间 : 2016-04-09 浏览次数 : 1253

导读: 相对于锂离子电池模块,燃料电池系统(PEMFCsystem)的安全性评价有很大不同。PEMFC的安全性评价主要是针对PEMFC电堆和储氢系统这两个部分,而且都与氢气直接相关。

2.2能量密度的瓶颈

当前,纯电动汽车大规模产业化所面临的第一大障碍,就是“里程焦虑”的问题。对于纯电动汽车而言,其续航里程是由动力电池系统所能够释放出来的电能决定的,因此动力系统的能量密度就成了制约电动车续航里程的决定性因素。

锂电池的能量密度是否还有进一步提升的空间?

BMW的计算表明,消费者对纯电动汽车可接受的最低实际行驶里程是300Km(大约是目前普通轿车油箱满油续航里程的一半),如果在保持动力电池系统的重量跟现有普通家庭轿车的发动机+油箱相差不大的情况下,动力电池系统的能量密度要达到250Wh/Kg的水平,也就是说单体电芯的能量密度要达到300Wh/Kg。那么目前的锂电体系,在满足安全性、循环性和其它技术指标的前提下,其能量密度能否达到300Wh/Kg呢?

对于锂离子电池而言,其理论能量密度可以通过正负极材料比容量和工作电压进行估算。这里,笔者暂且抛开复杂的电化学和结构化学的概念,做些通俗易懂的分析。现有的锂电体系,其实只能算是“半个”高能电池,因为它的高比能量主要是建立在负极极低的电极电势基础之上,目前商业化的几种过渡金属氧化物正极材料(LCO、LMO、LFP和NMC)不管是工作电压还是比容量都并不明显优于水系二次电池的正极材料。因此,要想使锂电成为“真正”的高能电池仅有两条道路:提高电池工作电压或者提高正负极材料的比容量。因为负极工作电压已经没有降低的可能,那么高压就必须着眼于正极材料。镍锰尖晶石和富锂锰基固溶体正极材料(OLO)的充电电压分别为5V和4.8V,必须采用全新的高压电解液体系。5V镍锰尖晶石由于容量较低,实际上并不能有效提升电池的能量密度。目前OLO的实际容量可以达到250mAh/g,已经很接近层状过渡金属氧化物正极的理论容量。Si/C复合负极材料以及硅基合金负极材料的比容量已经达到600-800mAh/g,这个容量范围几乎是其实用化(保证适当循环性并抑制体积变化)的极限。如果OLO和这两种高容量负极搭配,其能量密度大约在300Wh/Kg略高的水平。笔者这里要强调的是对3C小电池而言,体积能量密度比质量能量密度更为重要。也就是说,层状正极材料(LCO和NMC)向更高电压发展,比目前炒作得很热门的富锂锰基固溶体正极更具实际应用价值。目前i-Phone6上基于4.35V高压LCO的软包电池比能量已经达到了250Wh/kg,随着更高电压LCO技术的日益成熟,未来采用更高压的层状正极材料搭配高容量Si/C复合负极或者合金负极材料,小型3C锂电的能量密度有可能进一步提升到280-300Wh/Kg的水平。

而要想进一步提高锂电的比能量,那么就必须打破现在的嵌入反应机理的束缚,跟其它常规化学电源一样采用异相氧化还原机理,也就是采用金属锂做负极。但是锂枝晶容易导致短路以及枝晶与电解质的强烈反应,使问题又回到了锂离子电池的起始点。其实,锂离子电池采用石墨负极的根本原因,正是因为石墨嵌锂化合物降低了金属锂的高活性。所以,基于嵌入反应的锂离子电池其实是不得已的折衷办法!

近两年,国际上关于金属锂负极的研究掀起了一阵小高潮,比如最近炒作的很热门的美国SolidEnergy。其实从基础研究的角度而言是很好理解的,正如笔者前面提到的,正极材料的容量已经没有多少提高的余地,电解质无助于能量密度的提升,那么剩下的也就只能从负极这块着手了,使用金属锂负极的电池自然是“终极锂电池”。理论上,采用固体/聚合物电解质或者在液态电解液添加无机添加剂都有可能缓解锂枝晶问题,但是在电芯的实际生产上会面临诸多技术困难。正如笔者在安全性章节里讨论过的,以金属锂做负极的“终极锂电池”能否实现,安全性问题将是第一决定性因素。笔者个人认为,基于无机固体电解质的全固态锂离子电池(All-solid-stateLi-ionbattery)才有可能让金属锂负极的实际应用成为可能。日本Toyota(丰田汽车)是国际上全固态电池的领头羊,目前其发展出的原型电池在技术水平上遥遥领先其它企业和科研机构,而Toyota在该领域已经有近20年的研发积累。www.dianchihuishou.com

但是大型动力电池由于诸多技术指标的严格限制,在电极材料的选择、体系搭配、极片工艺和电芯结构设计等方面跟3C小电池有很大不同。这些因素使得即便是相同正负极搭配体系,大型动力电池的能量密度要比小型容量型电池低不少。比如,基于安全性还有循环性等多方面因素的考量,动力电池必须维持在较低的电压(4.2/4.3V)水平,也就是说3C小电池的高电压策略在动力电池上是不适合的。目前LG的大型三元材料动力单体电池的能量密度已经做到了180Wh/Kg的水平。笔者个人认为在技术上仍然有进一步提升的空间,未来单体三元动力电池应该可以达到甚至超过200Wh/Kg的水平。但是要在满足安全性还有循环性等多方面技术要求的前提下再进一步提升单体电池的能量密度,在技术上就非常困难了。电芯成组以后能量密度一般会损失20%左右(TeslaModelS损失高达45%),也就是说锂离子动力电池系统的能量密度几乎不可能超过200Wh/Kg的水平。

后锂电时代(BeyondLIB)有两个耀眼的“新星”,它们就是Li-S和Li-Air电池。其实它们都老掉牙的体系,只是近些年又被重新包装热了起来。如果我们仔细分析这两个电化学体系就会发现,它们的最核心问题仍然是笔者前面讨论过的金属锂负极问题。对S正极的研究衍生出了两个方向,一个是高温的Na-S电池,日本NGK已经有数十年的产业化经验。另外一个方向就是目前研究得比较热门的常温Li-S电池。Li-S电池的技术难题很多,单纯就电极材料的研究而言S/C复合正极已经不是主要问题,目前的瓶颈主要集中在电解液和负极两个方面。如果上升到全电池和电芯生产层面,则工程技术难度相当大,还远未达到产业化要求。国际上Li-S电池做得比较好的是美国Polyplus、SionPower和德国BASF,目前单体电芯的能量密度可以达到400Wh/kg以上的水平,但循环性还远不能满足实用要求,并且自放电比较严重。Li-S电池必须解决金属锂负极问题,否则Li-S电池就基本上丧失了高能的优势。再加上Li-S电池独有的“多硫离子穿梭效应”,笔者并不认为Li-S电池在电动汽车上会有实际应用的可能性,未来Li-S电池在军用和野外这样一些小众的特殊领域可能会有一定的应用前景。

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