新能源汽車動力電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望

1、 文章引用: 周禕, 白陽, 閆婉. 新能源汽車動力電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望J. 電力與能源進(jìn)展, 2017, 5(2: 50-59.Present Situation and Prospect of New Energy Vehicle Power BatteryYi Zhou, Yang Bai, Wan YanPan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., ShanghaiReceived: Apr. 7th , 2017; accepted: Apr. 27th , 2017; published: Apr. 30th, 2017Abstrac

2、tBatteries, as the core component of the new-energy vehicle (NEV, play an important role in the development of NEV. Considering the development tendency of NEV, we raise a possible develop-ment route for the batteries in NEV, which is Nickel-metal hydride battery, Lithium ion battery, All solid stat

3、e battery, Fuel cell and Lithium air battery. The current states of the above batteries are analyzed based on the overall arrangement of major vehicle companies in NEV field. We focus on the problems occurred in the development process of the batteries, and try to give some solutions for these probl

4、ems or predict the improvement direction. Finally, we compare the advantages and disadvantages of these batteries, and then forecast the key point and research orientation of bat-teries in NEV in the next 10 years. KeywordsNew-Energy Vehicle, Nickel-Metal Hydride Battery, Lithium Ion Battery, All So

5、lid State Battery, Fuel Cell, Lithium Air Battery新能源汽車動力電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望周 禕,白 陽,閆 婉泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海收稿日期:2017年4月7日;錄用日期:2017年4月27日;發(fā)布日期:2017年4月30日摘 要動力電池作為新能源汽車的核心部件對其的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合新能源汽車的發(fā)展趨勢,周禕 等提出了車用動力電池發(fā)展的路線:鎳氫電池傳統(tǒng)鋰離子電池全固態(tài)鋰離子電池燃料電池鋰空氣電池。結(jié)合各大汽車企業(yè)在新能源汽車領(lǐng)域的布局,分析了鎳氫電池、鋰離子電池、全固態(tài)鋰離子電池、燃料電池及鋰空氣電池的發(fā)展現(xiàn)狀。重點(diǎn)解析了各類

6、動力電池現(xiàn)階段遇到的一些問題,并針對性的給出可行的解決方案及發(fā)展方向。最后考慮各類電池的優(yōu)劣,展望了未來十年內(nèi)動力電池的發(fā)展重點(diǎn)及研究方向。關(guān)鍵詞新能源汽車,鎳氫電池,鋰離子電池,全固態(tài)鋰離子電池,燃料電池,鋰空氣電池 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY./licenses/by/4.0/

7、 1. 引言隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,人們對新型清潔能源的需求也越來越迫切。傳統(tǒng)汽車作為化石燃料的消耗大戶以及隨之排出的廢氣帶來的環(huán)境問題,直接加劇了人們對應(yīng)用新能源的渴望。進(jìn)入“十三五”以來,中國汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的自覺性將進(jìn)一步加強(qiáng),汽車的減排已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)努力的方向1 23。采用新能源以及輕量化車身是促進(jìn)汽車節(jié)能減排的有效途徑。其中,新能源汽車更能在根本上解決能源及排放的問題。近年來,新能源汽車得到了蓬勃的發(fā)展。特斯拉集團(tuán)率先推出了以鋰離子電池為驅(qū)動系統(tǒng)的純電動汽車,讓人們看到了新能源汽車的可行性與優(yōu)勢。先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)、炫酷的外觀及輔助功能使其在國際上占據(jù)了領(lǐng)先的地位。在國內(nèi),比

8、亞迪公司先后推出了秦、唐等油電混動的新能源汽車,使得電動車的價格更加的親民化,廣大車主對新能源汽車業(yè)逐漸地從觀望態(tài)度轉(zhuǎn)變到躍躍欲試。與此同時,通用、寶馬、大眾等國際大型車企也瞄準(zhǔn)了新能源汽車的市場,陸續(xù)的推出了旗下品牌的新能源汽車,掀起了新能源汽車的潮流。近一年來,一些互聯(lián)網(wǎng)公司、投資公司也開始投資或轉(zhuǎn)型到新能源汽車領(lǐng)域,開始打造自己的品牌。這一現(xiàn)象更加說明了新能源汽車已經(jīng)成為未來汽車的主要趨勢。在這樣一個美好的大環(huán)境下,2017年新能源汽車將迎來重要的一年,各大品牌的新能源汽車將會陸續(xù)的問世。新能源汽車的核心部件是動力電池,其發(fā)展是以動力電池的發(fā)展為前提;而動力電池必須滿足新能源汽車的需求才

9、能使用,其發(fā)展又離不開新能源汽車發(fā)展的引導(dǎo),根據(jù)新能源汽車的發(fā)展方向可以反映出動力電池的發(fā)展路徑。新能源汽車按工作原理可以分為混合動力汽車和純電動汽車4。純電動汽車以動力電池系統(tǒng)完全取代內(nèi)燃機(jī),可以真正做到零排放。但為了和傳統(tǒng)汽車相競爭,其續(xù)航里程一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)?，F(xiàn)階段動力電池的能量密度還較低,續(xù)航里程仍然較短,僅靠增加電芯數(shù)量提升又面臨著安全及成本的問題。目前能夠做到續(xù)航里程在400公里以上的純電動汽車僅有特斯拉一家,這得益于其先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)能夠控制7000多節(jié)電芯,但也付出了巨大的成本代價。除此之外的車型續(xù)航里程均在300公里以內(nèi)。為滿足節(jié)能減排的需求及傳統(tǒng)汽車向新能源汽車的平穩(wěn)

10、過渡,混合動力汽車不失為當(dāng)下最優(yōu)的選擇?；旌蟿恿ζ囃瑫r擁有內(nèi)燃機(jī)和動力電池作為驅(qū)動系統(tǒng)5 6,這對動力電池的功率性能要求較高,能量方面滿足一定的續(xù)航里程即可。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升以及科技的發(fā)展,長續(xù)航里程的純電動汽車將是新能源汽車發(fā)展的最終目標(biāo)。電池能量密度的不足使得有限體積的電池系統(tǒng)不足以滿足更高的續(xù)航里Open Access周禕等程,因此高能量密度的動力電池將是未來發(fā)展的主要方向。常用的動力電池包括鋰離子電池、鎳氫電池,以及燃料電池。不同的電池特點(diǎn)不同應(yīng)用的領(lǐng)域也不同,鎳氫電池功率及安全性能較高,在混合動力中發(fā)揮優(yōu)勢;鋰離子電池能量密度較高且可以繼續(xù)提升,是純電動汽車的首選;燃料電

11、池加氫速度快,可以更快地完成能量補(bǔ)充過程。長遠(yuǎn)來看,新能源汽車對動力電池的需求將向著高能量密度(包括質(zhì)量能量密度和體積能量密度、高安全性發(fā)展,同時需要解決其充電時間比起傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)加油時間過長的問題。從這個角度出發(fā),動力電池發(fā)展最有可能的一條路徑如下:鎳氫電池傳統(tǒng)鋰離子電池全固態(tài)鋰離子電池燃料電池鋰空氣電池。2. 技術(shù)路線分析2.1. 鎳氫電池鎳氫電池于1990年商品化,其在電池市場中占有相當(dāng)大的份額,是混合動力汽車(HEV領(lǐng)域中應(yīng)用最為成熟的二次電池之一7 8。僅2014年,全球鎳氫電池HEV銷量為84萬輛,其中豐田銷量約為63萬輛,占全球的75%。本田銷量約為13萬輛,占全球的15%,現(xiàn)代銷

12、量約為3萬輛,占3.5%。福特2.3萬輛,占2.7% 9。從長遠(yuǎn)來看,未來幾年全球鎳氫動力電池將持續(xù)穩(wěn)定增長。鎳氫電池是功率型電池,使用壽命長、安全性好,但能量密度低。通常其功率密度高達(dá)400600 W/kg,快速充電能力強(qiáng),充電18 min可恢復(fù)40%80%的容量,但能量密度僅為7580 Wh/kg,換算成體積能量密度為200 Wh/L。根據(jù)新能源汽車發(fā)展方向,動力電芯將朝向能量密度越來越高的方向發(fā)展。因此鎳氫電池被高能量密度動力電池取代是必然。但在滿足高性能需求的電池出現(xiàn)之前,鎳氫電池不會迅速退出舞臺,結(jié)合其特點(diǎn)將會向高安全和低成本的方向發(fā)展。(1 強(qiáng)化獨(dú)特性能優(yōu)勢鎳氫電池的安全性高、內(nèi)阻

13、較小(1835 m,僅為鋰電池的四分之一左右、功率密度大、實(shí)際使用壽命長、使用溫度范圍寬,這些性能要優(yōu)于目前的鋰離子電池。鋰離子電池受到電解液的限制低溫性能較差,而鎳氫電池在低溫下放電性能優(yōu)異,20下能放出額定容量的85%。鎳氫電池在濫用條件下的安全性能也較高。這些都是鎳氫電池在動力電池市場占據(jù)一席之地的重要因素。繼續(xù)提高鎳氫電池的性能使其在特定領(lǐng)域無法被取代是其發(fā)展的方向之一。研究電池材料及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)一步降低內(nèi)壓、拓寬溫區(qū)、加強(qiáng)快速充放、提高壽命等途徑可以繼續(xù)強(qiáng)化鎳氫電池優(yōu)勢10 11 12。(2 低成本化鎳氫電池中含有的鎳、鈷和稀土金屬等是稀缺、用途廣泛、品位低、價值較高的有價金屬元素,這

14、些原材料占據(jù)了總成本的很大一部分13 14。當(dāng)鎳氫電池壽命結(jié)束時,這些材料也就變成了放錯位置的資源。如果對鎳氫電池中這些有價金屬進(jìn)行合理的回收利用,不僅可以減少環(huán)境污染,而且還能重新利用資源并降低電池生產(chǎn)成本?，F(xiàn)階段鎳氫電池的回收工作也是廣大科研工作者的研究熱點(diǎn)。濕法冶金是常用的貴金屬回收的工藝,在此基礎(chǔ)上開發(fā)新工藝,聯(lián)用酸浸、無機(jī)沉淀和有機(jī)溶劑萃取等方法可以有效的提高生產(chǎn)效率15。2.2. 傳統(tǒng)鋰離子電池1990年Sony將以鈷酸鋰為正極、石墨為負(fù)極的鋰離子電池成功商業(yè)化,開啟了鋰離子電池的時代。鋰離子電池出現(xiàn)至今,以其優(yōu)異的性能吸引著人們的眼球16。近年來,新技術(shù)和新材料更是雨后春筍般地出

15、現(xiàn),鋰離子電池的性能也隨之不斷地飛躍。隨著性能的不斷提高,鋰離子電池可以更好地滿足動力電源的需求,越來越多地應(yīng)用在新能源汽車之中。然而現(xiàn)狀是鋰離子電池還不足以單獨(dú)為整車在全性能工作下提供動力輸出,因此新能源汽車仍以混合周禕等動力汽車為主,少量企業(yè)推出的純電動汽車?yán)m(xù)航里程仍然較低,僅能滿足城市的日常生活。而新能源汽車未來的發(fā)展目標(biāo)是具有長續(xù)航里程的純電動汽車,動力電池的總能量需要從現(xiàn)有混合動力汽車的10 kWh提高到40 kWh以上才能滿足需求,同時還要滿足在尺寸上與現(xiàn)有動力電池具有可比性。在有限的空間內(nèi)放置高能量的動力電池,這無疑是對鋰離子電池能量密度、安全及壽命的一大挑戰(zhàn)。鋰離子電池最核心的

16、部件就是電極材料,電極材料的創(chuàng)新決定了鋰離子電池的發(fā)展。想要提高鋰離子電池的性能,需要從電極材料入手?，F(xiàn)階段負(fù)極材料均選擇以石墨為主的碳材料,因此正極材料的性能決定了鋰離子電池的性能,電池的命名也是因正極材料而定。常見的正極材料如表1所示。最早成熟使用的正極材料是鈷酸鋰材料17,其電化學(xué)性能優(yōu)異,比能量較高。但由于鈷元素的價格昂貴以及毒性較高,人們開始尋找可以替代鈷酸鋰的材料或者減少鈷的使用量。相對于鈷酸鋰,磷酸鐵鋰更加安全、環(huán)保且成本較低。其循環(huán)性能也是常見的正極材料中最好的18。但由于反應(yīng)機(jī)理的限制其儲能密度較為不足,額定電壓僅有3.2 V、比能量也僅為140 mAh/g,還是不能滿足人們

17、對能量密度日益增長的需求。正極材料繼續(xù)發(fā)展,人們嘗試了不同的金屬鋰鹽,發(fā)現(xiàn)鎳可以提高比能量、錳在保持能量的狀態(tài)下環(huán)境十分友好、穩(wěn)定性較高,但也都存在著一些不足。隨后,人們將不同金屬元素有機(jī)結(jié)合開發(fā)了三元材料19 20,如鎳鈷錳和鎳鈷鋁材料。通過協(xié)同作用發(fā)揮各元素的優(yōu)勢,使得性能更上一個臺階,同時可以通過調(diào)控各元素的比例來獲得不同的性能,以滿足不同的需求?，F(xiàn)階段的三元電池可以將額定電壓做到3.653.7 V,比能量高達(dá)180 mAh/g,但是安全性及壽命成為了制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素,仍需要進(jìn)一步的改善。提高鋰離子電池的能量密度,可以根據(jù)能量密度的計(jì)算公式E = 1/2CU2考慮,途徑有二:其一提高

18、電池的容量,其二提高電池的電壓。從電芯層面來講,提高鋰離子電池性能的關(guān)鍵在于優(yōu)化正負(fù)極材料及改善電解液。(1 正極材料三元鎳錳鈷(NMC電池是高能量密度電芯的代表,有望達(dá)到350 wh/kg。通過改變NMC材料不同元素之間的組分可滿足不同的性能需求,鎳、鈷、錳在體系中分別起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、提高體積能量密度、平衡成本的作用,但含量過高也會帶來負(fù)面的影響,鈷過多導(dǎo)致實(shí)際容量降低、鎳過多導(dǎo)致析鋰、錳過多導(dǎo)致層狀結(jié)構(gòu)的破環(huán)。一般而言,基于安全性和循環(huán)性的考慮,三元動力電池主要采用333、442和532這幾個Ni含量相對較低的系列,但是由于PHEV/EV對能量密度的要求越來越高,622也越來越受到重視。未來

19、的研究重點(diǎn)可以放在降低Ni、Co元素比例、優(yōu)化摻雜、表面包覆的改進(jìn)手段等方向上21。目Table 1. Comparison of anode materials for lithium ion battery表1. 鋰離子電池常用正極材料性能對比參數(shù)鈷酸鋰磷酸鐵鋰鎳酸鋰錳酸鋰鎳鈷錳鎳鈷鋁振實(shí)密度/gcm3 2.83.0 1.01.4 2.42.6 2.22.4 2.02.3 2.02.4 比表面/m2g10.40.6 1220 0.30.7 0.40.8 0.20.4比能量/mAhg1140155 130140 190210 100115 155165 180電壓平臺/V 3.7 3.2 3

20、.8 3.7 3.65 3.7循環(huán)性能300 2000 500 800過渡金屬貧乏非常豐富貧乏豐富豐富豐富原料成本很高低廉很高低廉較高較高環(huán)保含鈷無毒含鎳無毒含鈷鎳含鈷鎳安全性能差優(yōu)良差較好較好差周禕等的在于降低產(chǎn)業(yè)化成本,提高三元材料的振實(shí)密度、改善高低溫和高截止電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性能和倍率性能?？梢灶A(yù)料,隨著三元材料研究的不斷深入,該類正極材料必將得到更大規(guī)模的應(yīng)用。磷酸鐵鋰電池雖然電壓相對較低、比能量也較小,但是安全性能是各類材料中最高的。這得益于晶體中的P-O鍵穩(wěn)固,難以分解,即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)。因此在新能源汽車對動力電池安全需求的形勢下

21、,磷酸鐵鋰電池還是能夠占據(jù)很大市場的。此外,高壓正極材(2 負(fù)極材料如果說對正極的要求是工作電壓(vs. Li+/Li,下同越高越好,那么對負(fù)極的要求就是電壓越低越好。目前的商用的碳負(fù)極電壓為0.15 V左右,已經(jīng)可以滿足現(xiàn)有的需求。但從能量密度及電壓上考慮,更為理想的負(fù)極材料就是金屬鋰負(fù)極,但它在液態(tài)電解液下容易產(chǎn)生鋰枝晶造成安全問題限制了應(yīng)用?，F(xiàn)階段公認(rèn)的解決方法就是使用固態(tài)電解質(zhì)。硅碳負(fù)極也是受到大家關(guān)注的材料,其比能量接近現(xiàn)有石墨負(fù)極的23倍,但由于穩(wěn)定性及體積效應(yīng)等問題實(shí)際應(yīng)用比較困難。鈦酸鋰材料是安全性能非常高的負(fù)極材料,也受到了廣泛的關(guān)注,具有優(yōu)異的倍率及循環(huán)性能。但其嵌鋰電壓高

22、達(dá)1.5 V,作為負(fù)極后使得電芯電壓降低,進(jìn)而降低能量密度。其未來的發(fā)展將會發(fā)揮高安全的優(yōu)勢與高壓正極材料配合使用,發(fā)揮功率及壽命優(yōu)勢。(3 電解質(zhì)材料傳統(tǒng)鋰離子電池使用有機(jī)電解液24,選用的鋰鹽一般為LiPH6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22等物質(zhì),而有機(jī)溶劑一般選用碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯中的兩種或兩種以上的混合物,最高可以在4.5 V左右工作,電壓值已經(jīng)到了極限,在現(xiàn)有體系下繼續(xù)提高幾乎是不可能的。動力電池的發(fā)展,在電解液角度上可以做的工作有限。能量密度和安全性的關(guān)系是此消彼長的關(guān)系,如何能夠在保證安全性

23、的前提下提高能量密度,是目前大家都很關(guān)注的問題。一方面通過改善電解液組分,適當(dāng)?shù)母淖兤涔ぷ鳒囟确秶＝?日本東京大學(xué)發(fā)現(xiàn)了水系電解液常溫溶融水合物,可以使電池的能量密度和安全性擺脫此消彼長的關(guān)系。使用該電解液可以在保證目前市售相同體系電芯能量密度的前提下提高大電流放電能力,可謂效果顯著。遺憾的是這樣技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用還有很長的距離。另一方面就是向固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展,以提高其安全性。2.3. 全固態(tài)鋰離子電池陳立泉院士在報(bào)告中指出,全固態(tài)電池潛力巨大,可以達(dá)到500 Wh/kg,有望成為新一代鋰電池。而傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的能量密度極限僅有260 wh/kg 25 26。傳統(tǒng)鋰離子電池因采用液態(tài)電解液,

24、正負(fù)極材料都受到了限制,工作條件也不能太苛刻否則就會產(chǎn)生安全性問題。提高鋰離子電池的能量,可以使用高容量正極材料和金屬鋰負(fù)極。但金屬鋰負(fù)極易和電解液反應(yīng)形成鋰枝晶造成電池的安全隱患,正極材料在電解液中的不穩(wěn)定性也使高能量密度的電芯像一顆炸彈一樣。由此可見,電解液是限制電芯能量密度及安全性的重要因素。固態(tài)鋰離子電池,就是將傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液換成固態(tài)電解質(zhì)27 28 29。目前常見的固態(tài)電解質(zhì)有有機(jī)電解質(zhì)(PEO、聚硅氧烷基、單離子導(dǎo)體等、氧化物電解質(zhì)(鋰鑭鋯氧、LISICON、NASICON等和硫化物電解質(zhì)等。固態(tài)電解質(zhì)一方面可以抑制電極材料的體積變化與副反應(yīng)(尤其抑制鋰枝晶,另一方面不與空

25、氣發(fā)生反應(yīng)提高安全性。固態(tài)鋰離子電池的特點(diǎn)是高能量密度和高安全性,是未來新能源汽車亟需的動力電池,因此國內(nèi)外機(jī)構(gòu)及學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。在國內(nèi),中科院物理所30、上海硅酸鹽所31、寧波材料所32等研究團(tuán)隊(duì)具有較強(qiáng)的科研實(shí)力,在固態(tài)電池上具有領(lǐng)先地位并已經(jīng)準(zhǔn)備中試,著手布局固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)鏈。目前固態(tài)鋰離子電池尚處于研究的中后期階段,如何從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化是人們需要考慮的一些問題。如何低成本的把實(shí)驗(yàn)室的改性技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)、如何尋找新工藝保證批量生產(chǎn)的質(zhì)量與性能是研究的重點(diǎn)。而這一切的基礎(chǔ)是對固態(tài)電池機(jī)理的深入研究。固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體偏低導(dǎo)致了其倍率性能整體偏低,內(nèi)阻較大,充電速度慢,且成本總體

26、偏高,現(xiàn)在的固態(tài)電池如果要和普通鋰離子電池在傳統(tǒng)市場上競爭,并沒有太大的優(yōu)勢。因此,發(fā)揮固態(tài)電池本身高安全性、高溫穩(wěn)定性、可能達(dá)到的柔性等其它多功能特性,與傳統(tǒng)鋰離子電池在差異化的市場中進(jìn)行競爭,可能是固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場突破方向。使用固態(tài)電解質(zhì)帶來問題是固固界面增加的阻抗導(dǎo)致地倍率性能及大電流充放電能力的下降,在這方面可以開展以下工作:(1 采取對正極材料進(jìn)行包覆工藝,針對不同的電極材料采取不同的包覆層,使其和電解質(zhì)界面充分接觸。(2 將電極材料與電解質(zhì)粉體混合后在于電解質(zhì)層燒結(jié)成為一個整體以增大電極材料和電解質(zhì)的接觸面積實(shí)現(xiàn)界面的充分接觸。(3 制備離子液體基復(fù)合電解質(zhì),將離子液

27、體固定在無機(jī)骨架中,提高性能。(4 通過加壓的方式增加固固界面的接觸面積。馬里蘭大學(xué)胡良兵教授33團(tuán)隊(duì)通過在石榴石電解質(zhì)和電極材料之間摻入一層超薄氧化鋁,將阻抗減小了300倍,解決了高阻抗問題。這實(shí)質(zhì)上消除了電池內(nèi)電流動的屏障,允許所存儲能量的有效充放電。從能量密度及續(xù)航能力上來說,固態(tài)電池?zé)o疑是新能源汽車的一個良好選擇。隨著研發(fā)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,在國內(nèi)外廣大專家的努力攻克下,全固態(tài)電池中的科學(xué)和工藝上的問題會逐漸得到緩解,在未來幾年,固態(tài)電池產(chǎn)品的市場會迎來蓬勃發(fā)展的機(jī)遇。2.4. 燃料電池相比于上述電池作為儲能裝置,燃料電池可謂是一種“產(chǎn)能”裝置。它是一種不燃燒燃料而直接以電化學(xué)反應(yīng)方

28、式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。其工作的基本原理如圖1所示。氫分子在陽極催化劑作用下離解成氫離子和電子,氫離子經(jīng)電解質(zhì)向陰極運(yùn)動,電子則通過外部電路流向陰極;氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子,并與外電路的電子和穿過電解質(zhì)的氫離子結(jié)合生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的水,完成電化學(xué)反應(yīng)放出熱量并提供電力。燃料電池具有明顯的優(yōu)點(diǎn),如轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境污染小、燃料補(bǔ)充快、制備簡單等。燃料電池能量密度高,接近汽油和柴油的能量密度,代表了電動汽車的未來發(fā) Figure 1. Schematic diagram of working principle for hydrogen cell圖1. 氫燃料電池工作原理

29、示意圖展方向,也是各國重點(diǎn)研發(fā)的領(lǐng)域之一。燃料電池車的性能相比于傳統(tǒng)汽車及鋰離子電池新能源汽車而言具有一定的優(yōu)勢,在環(huán)境友好性及續(xù)航里程上是其他汽車望塵莫及的,因此燃料電池車具有非常光明的市場潛力34。在世界范圍內(nèi),美國和日韓在燃料電池技術(shù)上占據(jù)著領(lǐng)先的地位,世界上第一輛量產(chǎn)版氫燃料電池車就是現(xiàn)代公司生產(chǎn)的ix35。除此之外,通用、奔馳、馬自達(dá)在概念車及產(chǎn)品布局上都展開了燃料電池的推進(jìn)工作。從世界范圍來看,燃料電池車并沒有出現(xiàn)的廣泛的出現(xiàn)。這是因?yàn)槿剂想姵氐陌l(fā)展還存在著很多技術(shù)問題沒有解決。限制其發(fā)展的原因如下:(1 成本方面:貴金屬催化劑的成本一直居高不下;(2 壽命方面:高溫時質(zhì)子交換膜容

30、易失活限制燃料電池的壽命而低溫下氣體流道易發(fā)生結(jié)冰,這對壽命的影響比較大;(3 產(chǎn)氫方面:車用燃料電池的燃料為氫和氧,其中對氫純度的要求是極高的,幾乎為純氫。而純氫的制備現(xiàn)階段也只能采取電解水的方式,這樣就把燃料電池置于第三級能源裝置,即需要化石燃料發(fā)電、電產(chǎn)氫、氫再發(fā)電的模式,此過程的意義值得商榷;(4 配套設(shè)施:就像鋰離子電池新能源汽車的充電樁一樣,燃料電池的加氫站建設(shè)也面臨著一個蛋雞先后的邏輯。而受到制氫儲氫技術(shù)的限制,配套設(shè)施也是難以搭建;(5 能量輸出狀態(tài):燃料電池由于受到反應(yīng)機(jī)理的限制,較難得到穩(wěn)定的功率輸出,因此暫時還不能直接單獨(dú)作為動力系統(tǒng)。燃料電池的進(jìn)一步推廣需要解決上述的一

31、些難題,可以從以下幾個角度去考慮。在燃料電池內(nèi)部,要進(jìn)一步研究催化劑和隔膜以提高性能,降低成本;而站在電堆的角度則需要解決氫氣的來源、動力系統(tǒng)及配套設(shè)施。(1 催化劑催化劑現(xiàn)在面臨的最大問題就是成本,可以從兩個角度出發(fā)。第一,由于催化劑本身并不參與反應(yīng),同時反應(yīng)也僅在催化劑的表層進(jìn)行,可以改進(jìn)制備工藝減薄催化劑層以達(dá)到減小用量的目的35。第二,尋找改型具有同樣催化能力且成本相對較低的金屬代替或部分代替鉑的使用36。歸根結(jié)底就是減小鉑的使用量。(2 氫氣氫氣的獲得方式大致可分為兩類:一類是電解水,另一類是收集化工反應(yīng)副產(chǎn)物,效率均比較低。隨著科技的發(fā)展,開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能等電解水制氫將會解決氫

32、氣的來源問題。此外,儲氫材料和儲氫技術(shù)的發(fā)展也會決定著燃料電池的發(fā)展?，F(xiàn)階段在700 Bar壓力下的氫氣依然是氣態(tài),如果能通過加壓或低溫儲存的方式得到液氫將能儲存更多的氫氣。(3 基礎(chǔ)設(shè)施配套設(shè)施的建立不僅僅是技術(shù)問題,而且還是一個政策問題。安全是對加氫站的嚴(yán)峻考驗(yàn)。如果加氫站技術(shù)成熟,則可以采用兩種方式進(jìn)行,一種是像現(xiàn)在的傳統(tǒng)車一樣直接將氫氣加到車載儲氫罐中,這要求儲氫罐式固定式的。另一種就是像換電池一樣,將儲氫罐做成移動式的直接更換。2.5. 鋰空氣電池假設(shè)鋰離子電池技術(shù)完全發(fā)展,其充電時間和內(nèi)燃機(jī)的加油時間相比仍然較長,這也是為什么鋰離子電池系統(tǒng)是過渡動力系統(tǒng)的原因。而燃料電池受到功率不

33、穩(wěn)的影響,不能單獨(dú)作為動力電源使用,其仍需要鋰離子電池的配合。雖然燃料電池加氫時間較短,但是受限于鋰離子電池和燃料電池不足的雙重約束,仍然不是最理想的選擇。而兼具鋰離子電池的穩(wěn)定輸出以及燃料電池快速加燃料的鋰空氣電池成為未來電動車的更好選擇。鋰空氣電池是一種用鋰作陽極,以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。放電過程:陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li+,Li+穿過電解質(zhì)材料,在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O或者過氧化鋰(Li2O2,并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91 V,比能量高達(dá)5.21 kwh/kg (包含氧氣質(zhì)量 37。而燃料電池的理論開路電壓僅有1

34、.4 V,比能量為3.6 kwh/kg。鋰空氣電池具有比燃料電池更高的能量密度。鋰空氣電池受到反應(yīng)原理及電池尺寸的限制,不適合在個人消費(fèi)品領(lǐng)域應(yīng)用。其超高的能量密度使其非常適合作為新能源汽車的動力電池。由于空氣可以直接作為燃料使用,鋰空氣電池相比于鋰離子電池和燃料電池具有更大的優(yōu)勢。根據(jù)鋰空氣電池的現(xiàn)狀分析,目前鋰空氣電池存在的最大問題就在電極材料、電解質(zhì)和催化劑上38 39。如何解決有機(jī)液體電解質(zhì)容易揮發(fā)的問題提高電池的放電容量、使用壽命及電池的安全性;如何避免氣體進(jìn)入電池以及鋰負(fù)極的腐蝕問題;尋找廉價高效的氧還原催化劑等問題將會成為鋰空氣電池發(fā)展的重點(diǎn)方向。具體的方式為:(1 研發(fā)新的材料

35、及制備方法,例如固態(tài)電解質(zhì)及抗氧化電解質(zhì),防止內(nèi)部放電產(chǎn)物碳酸鹽化。在空氣電極方面可以進(jìn)一步納米結(jié)構(gòu)改性,優(yōu)化反應(yīng)物的傳輸通道,優(yōu)化放電產(chǎn)物的沉積空間。(2 研究性價比更高的催化劑,開發(fā)少鉑或無鉑金屬催化劑的制備工藝,如納米噴涂、納米薄膜等技術(shù)。同時開發(fā)新型催化劑,通過改變材料形貌、元素?fù)诫s等方式提高現(xiàn)有金屬氧化物的性能。應(yīng)用石墨烯作為正極材料,既可以作為多孔材料提供反應(yīng)位點(diǎn),同時可以預(yù)先將催化劑納米顆粒附著在石墨烯表面,以減小催化劑用量提高催化劑整體比表面積,達(dá)到提高性能降低成本的目標(biāo)。(3 進(jìn)一步明確反應(yīng)機(jī)理,研究氧氣在各種電解質(zhì)中的還原和析出的本質(zhì)、電極材料和電解質(zhì)之間的界面接觸情況,為

36、鋰空氣電池的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。綜合上面的分析,鋰空氣電池還有很長的一段路要走。相信經(jīng)過時間的積累及不懈的努力,鋰空氣電池的商業(yè)化終將成為事實(shí)。屆時整個能源的結(jié)構(gòu)也會發(fā)生巨大的改變。3. 總結(jié)與展望從目前的技術(shù)來看,動力電池可以預(yù)見的發(fā)展路線就是鎳氫電池、鋰離子電池、全固態(tài)鋰離子電池、燃料電池和鋰空氣電池。伴隨著鋰離子電池的成熟發(fā)展,鎳氫電池將面對著前所未有的巨大挑戰(zhàn)。鋰離子電池正在向著更安全和更高能量的兩條路線發(fā)展。預(yù)計(jì)在2020年,鋰離子電池會得到進(jìn)一步的改良,高能量的電極材料將會得到應(yīng)用,同時電池的安全性問題得到改善。固態(tài)電解質(zhì)將會應(yīng)用于改良的高能量密度的鋰離子電池中,考慮到界面問題仍會

37、添加一些液態(tài)電解液以提高性能,半固態(tài)電池或者準(zhǔn)固態(tài)電池將作為過渡型電池。到2025年固態(tài)電池將會得到全面的發(fā)展,屆時動力的電池的能量密度將會有顯著的提高。而到2030年,燃料電池、鋰空氣電池等將會得到初步的發(fā)展。隨著科技的不斷發(fā)展,動力電池的發(fā)展也將會越來越快。性能優(yōu)良的電池可以通過以下途徑實(shí)現(xiàn):一、尋找性能更優(yōu)的電極材料,如三元材料、金屬鋰、碳硅復(fù)合材料以及石墨烯等;二、研究材料接觸界面的機(jī)理提高電子及離子的遷移速率;三、降低貴金屬催化劑的用量,可以通過納米化、薄膜化工藝實(shí)現(xiàn),并開發(fā)金屬氧化物等貴金屬催化劑的取代材料;四、新型電池的機(jī)理研究與發(fā)展以及現(xiàn)有問題的重點(diǎn)解決。新能源汽車在未來的占有

38、額將會越來越高,無論是從能源環(huán)境還是智能化的角度考慮,新能源汽車都具有極大的優(yōu)勢。動力電池作為新能源汽車的核心,從市場的角度出發(fā)其高速發(fā)展也是必然的趨勢。隨著廣大企業(yè)和科研單位的不懈努力,動力電池及新能源汽車的未來將會越來越光明。參考文獻(xiàn)(References1唐葆君, 馬也. “十三五”北京市新能源汽車節(jié)能減排潛力J. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版, 2016, 18(2: 13-17.2杜敏, 佟洪金. 四川省主要污染物排放現(xiàn)狀分析及“十三五”減排對策研究J. 四川環(huán)境, 2016, 35(5: 88-94.3葉麗. “十二五”節(jié)能減排進(jìn)度超預(yù)期“十三五”減排指標(biāo)有望調(diào)整J. 節(jié)能, 20

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