鉅大LARGE | 點擊量：742次 | 2022年03月30日
有關鋰離子電池、燃料動力鋰電池的基本知識 你了解多少？
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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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。
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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