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有關鋰離子電池、燃料動力鋰電池的基本知識 你了解多少?

鉅大LARGE  |  點擊量:742次  |  2022年03月30日  

當前,新能源動力鋰電池重要分鋰離子電池和燃料動力電池兩大類。蓄電池包括鉛酸蓄電池、鎳基電池、鈉硫電池、鋰離子電池、空氣電池等,主流常見的是鉛酸蓄電池和鋰離子電池。燃料動力電池包括堿性燃料動力電池(AFC)、磷酸燃料動力電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)、固體氧化物燃料動力電池(SOFC)、質子交換膜燃料動力電池(PEMFC)、直接甲醇燃料動力電池(DMFC)。


鋰離子電池和燃料動力電池的最大差別在于兩者的工作本質不相同。鋰離子電池是一個儲能裝置,通過可逆的電化學反應實現電能的存儲和釋放,它必須儲能再放能,完全依賴于外部能量的供應,假如外部能量是非環保的,那么鋰電也就是非環保的電力,因此就有了純電動汽車只不過是污染的二次轉移之說,因為其電能重要來自于以火力發電為主的電網。燃料動力電池無需儲能,是一個電能生產裝置,它通過電催化反應將燃料中的化學能轉換成電能釋放出來,工作方式跟內燃機比較類似。換句話說,鋰離子電池的能源轉換為電能到化學能再到電能,而燃料動力電池則是直接將化學能轉化成電能。從能源轉化的角度,燃料動力電池無疑是相對鋰離子電池更高級的發展層次。


一、蓄電池


1鉛酸蓄電池


鉛酸蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構成,電解液是硫酸的水溶液,常見的鉛酸蓄電池分三類:普通蓄電池、干荷蓄電池和免維護蓄電池。鉛酸蓄電池的發展歷史長久,具有供電電壓穩定、價格便宜的優點。但是相比于鋰離子電池,鉛酸蓄電池有著能量密度低,使用壽命短,充電時間長,體積大等缺點。此外,鉛酸蓄電池中存在著大量的鉛,在廢棄后若處理不當,將對環境出現污染。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

2鋰離子電池


常見的鋰離子電池有三類,分別是磷酸鐵鋰離子電池、鈷酸鋰離子電池和三元鋰離子電池。可充電鋰離子電池是目前手機、筆記本電腦等數碼產品中應用最廣泛的電池。相比于鉛酸蓄電池,鋰離子電池具有能量密度大,重量輕,使用壽命長,充放電效率高等優點,是作為電動汽車動力電源的選擇之一。但是,鋰離子電池的制造成本高,充電要求很高,要保證終止電壓精度在1%之內,在使用過程中不可過充、過放,會損壞電池的容量及壽命。


二、燃料動力電池


1堿性燃料動力電池(AFC)


與其它燃料動力電池相比,AFC功率密度和比功率較高,性能可靠。但它要以純氫做燃料,純氧做氧化劑,必須使用Pt、Au、Ag等貴金屬做催化劑,價格昂貴。電解質的腐蝕嚴重,壽命較短,這些特點決定了AFC僅限于航天或應用,不適合于民用。

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應用領域:勘探測繪、無人設備

2磷酸燃料動力電池(PAFC)


以磷酸做為電解質,可容許燃料氣和空氣中C02的存在。這使得PAFC成為最早在地面上應用或民用的燃料動力電池。與AFC相比它可以在180℃一210℃運行,燃料氣和空氣的處理系統大大簡化,加壓運行時,可組成熱電聯產。但是,PAFC的發電效率目前僅能達到40%一45%(LHV),它要貴金屬鉑做電催化劑;燃料必須外重整:而且,燃料氣中C0的濃度必須小于1%(175℃)一2%(200℃),否則會使催化劑中毒;酸性電解液的腐蝕用途,使PAFC的壽命難以超過40000小時。PAFC目前的技術已成熟,產品也進入商業化,做為特殊用戶的分散式電源、現場可移動電源和備用電源,PAFC還有市場,但用作大容量集中發電站比較困難。


3熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)


在650℃一700℃運行,可采用鎳做電催化劑,而不必使用貴重金屬:燃料可實現內重整,使發電效率提高,系統簡化;CO可直接用作燃料;余熱的溫度較高,可組成燃氣/蒸汽聯合循環,使發電容量和發電效率進一步提高。與SOFC相比,MCFC的優點是:操作溫度較低,可使用價格較低的金屬材料,電極、隔膜、雙極板的制造工藝簡單,密封和組裝的技術難度相對較小,大容量化容易,造價較低。缺點是:必須配置C02循環系統;要求燃料氣中H2S和CO小于0.5PPM;熔融碳酸鹽具有腐蝕性,而且易揮發;與SOFC相比,壽命較短;組成聯合循環發電的效率比SOFC低。與低溫燃料動力電池相比,MCFC的缺點是啟動時間較長,不適合作備用電源。MCFC己接近商業化,示范電站的規模已達到2MW。從MCFC的技術特點和發展趨勢看,MCFC是將來民用發電(分散電源和中心電站)的理想選擇之一。


4固體氧化物燃料動力電池(SOFC)


電解質是固體,可以被做成管形、板形或整體形。與液體電解質的燃料動力電池(AFC、PAFC和MCFC)相比,SOFC防止了電解質蒸發和電池材料的腐蝕問題,電池的壽命較長(達到70000h以上)。CO可做為燃料,使燃料動力電池以煤氣為燃料成為可能。SOFC的運行溫度在1000℃左右,燃料可以在電池內進行重整。由于運行溫度很高,要解決金屬與陶瓷材料之間的密封也很困難。與低溫燃料動力電池相比,SOFC的啟動時間較長,不適合作應急電源。與MCFC相比,SOFC組成聯合循環的效率更高,壽命更長(可大于40000h);但SOFC面對技術難度較大,價格可能比MCFC高。示范業績證明SOFC是未來化石燃料發電技術的理想選擇之一,既可用作中小容量的分布式電源(500kw一50MW),也可用作大容量的中心電站(>l00MW)。尤其是加壓型SOFC與微型燃氣輪結合組成聯合循環發電的示范,將使SOFC的優越性進一步得到體現。


5質子交換膜燃料動力電池(PEMFC)


PEMPC的運行溫度較低(約80℃),它的啟動時間很短,在幾分鐘內可達到滿負荷。與PAFC相比,電流密度和比功率都較高,發電效率也較高(45%一50%(LHV)),對CO的容許值較高(<10ppm)。PEMFC的余熱溫度較低,熱利用率較低。與PAFC和MCFC等液體電解質燃料動力電池相比,它具有壽命長,運行可靠的特點。PEMFC是理想的可移動電源,是電動汽車、、航天器等移動工具電源的理想選擇之一。目前,在移動電源、特殊用戶的分布式電源和家庭用電源方面有一定的市場,不適合做大容量中心電站。


6直接甲醇燃料動力電池(DMFC)


DMFC是直接以甲醇為原料,甲醇在陽極轉換成二氧化碳和氫,如同標準的質子交換膜燃料動力電池相同,氫然后再與氧反應。直接甲醇燃料動力電池的優勢在于燃料的使用便利,清潔環保,沒有氫氣壓儲運用的難題,缺點是目前質子交換膜的甲醇透過嚴重,造成燃料浪費,機器的性能衰減快。


7水氫燃料動力電池(AHFC,水氫機)


AHFC是一種特殊的PEMFC,它在原有的PEMFC技術上新增了制氫系統。制氫系統采用小型甲醇重整制氫技術,甲醇作為制取氫氣的儲能原料,氫氣因需而產,即產即用。制氫系統的運行溫度在200~400℃左右,依目前的技術水平,AHFC的冷啟動時間約30分鐘。因為新增了制氫系統,發電效率相比于PEMFC會相對低一點,但整體上已經可以達到35%-45%的能效。雖然AHFC新增了制氫模塊,但相對的,也解決了氫氣來源的問題。限制純電動汽車、氫燃料動力電池汽車等新能源汽車發展的一個重大因素是,其電能/原料供給的限制。純電動汽車存在充電時間長,充電樁設樁困難等問題,建設加氫站則要氫氣加壓降壓及儲存等國際前沿技術的支撐,運營成本高,高壓儲氫罐也存在一定的安全憂患。AHFC以甲醇水溶液為原料,在實際的運輸、儲存、加注上可基本效仿汽、柴油的管理模式,為燃料動力電池汽車推廣供應可行方法。


水氫燃料動力電池重要由若干個制氫單元、發電單元和控制單元集成組成。其工作原理是:以甲醇水為原料,在制氫系統中進行汽化-催化重整-純化的反應制得高純氫,高純氫再通過發電系統(氫燃料動力電池系統)進行電化學反應,將高純氫的化學能轉變為可供外界使用的電能。


△水氫燃料動力電池原理圖


總結


雖然目前鋰離子電池當前的產業和技術成熟度遠高于燃料動力電池,但是燃料動力電池是高于鋰離子電池一個層級的系統,是未來發展的最終方向。


傳統的罐氫燃料動力電池路線的發展面對四大困境:1、氫氣大規模生產、運輸和加注(加氫站)過程的綜合使用成本較高;2、終端加氫站的建設是政府層級的難題;3、氫氣的大規模制備和用氫成本。盡管2015年、2016年豐田、本田先后公布了燃料動力電池汽車,量產化的燃料動力電池汽車,實際上是引爆了整個行業,但以上氫燃料動力電池面對的難點不得到解決,燃料動力電池汽車仍然難以推廣。


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