亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        動(dòng)力型鋰離子電池與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀與展望

        2017-03-28 02:37:16趙紅光張洪凱華周發(fā)
        電池工業(yè) 2017年2期
        關(guān)鍵詞:鋰離子燃料電池安全性

        趙紅光,李 靜,張洪凱,華周發(fā)

        (1.山東聊城中通輕型客車有限公司 山東 聊城 252000; 2.山東魔方新能源科技有限公司 山東 聊城 252000)

        1 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,全球汽車保有量不斷增加。燃油的大量消耗使得能源危機(jī)變得日益嚴(yán)重,并且汽車尾氣排放使得環(huán)境污染程度也越來(lái)越嚴(yán)重。因此,近些年來(lái)許多汽車企業(yè)著重于新能源汽車的研究,試圖代替內(nèi)燃機(jī)的使用。新能源汽車的發(fā)展越來(lái)越快,以Tesla為代表的電動(dòng)汽車風(fēng)光無(wú)限,而以豐田Mirai為代表的燃料電池車最近也是備受關(guān)注。鋰離子電池和燃料電池作為電動(dòng)汽車和燃料電池車的核心零部件,對(duì)其發(fā)展起決定性作用。

        動(dòng)力型鋰離子電池已經(jīng)一定程度商業(yè)化。2016年國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池出貨量是28GWh,磷酸鐵鋰電池依舊是市場(chǎng)主力占20GWh,三元材料電池僅為6.3GWh,其他為錳酸鋰、鈦酸鋰、鎳氫電池、超級(jí)電容等其他材料電池。國(guó)內(nèi)動(dòng)力型鋰電池廠家數(shù)量預(yù)計(jì)在150家左右,出貨量排名前三分別為比亞迪,CATL和沃特瑪[1]。而燃料電池目前尚未商業(yè)化。相關(guān)的企業(yè)僅有北京億華通,新源動(dòng)力,上汽集團(tuán),武漢理工新能源等為數(shù)不多的幾家。

        本文從工作原理、性能、安全性等方面介紹了鋰離子電池與燃料電池的特點(diǎn),加深對(duì)其的理解與認(rèn)識(shí)。

        2 鋰離子電池與燃料電池的工作原理

        鋰離子電池是一種儲(chǔ)能裝置,目前常用的鋰離子電池按正極材料可以分為磷酸鐵鋰(LFP)電池、三元(NCM)電池和錳酸鋰(LMO)電池[2]。以磷酸鐵鋰電池為例:放電時(shí)正極中的磷酸鐵和從負(fù)極經(jīng)過(guò)電解液傳到過(guò)來(lái)的鋰離子以及外部電路傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成磷酸鐵鋰,負(fù)極石墨層中所嵌的鋰脫出,變成鋰離子和電子分別經(jīng)過(guò)電解液和外部電路傳導(dǎo)到正極。

        燃料電池其本質(zhì)是一種發(fā)電機(jī),其燃料和氧化劑不經(jīng)過(guò)燃燒而直接通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成電能。因此,燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉(zhuǎn)化效率高。燃料電池作為電能轉(zhuǎn)化裝置時(shí),它的效率可以達(dá)到60%,甚至在作為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置時(shí)它的效率高達(dá)80%[3]。燃料電池按照其電解質(zhì)的不同分為堿性燃料電池(AFC),磷酸型燃料電池(PAFC),固體氧化物燃料電池(SOFC),熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC),質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)[4]。不同類型的燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域和使用環(huán)境不同,質(zhì)子交換膜燃料電池的使用溫度范圍為室溫至80℃左右,目前在燃料電池車上使用的基本都是這種類型。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例,發(fā)電時(shí),正極氧氣和從負(fù)極傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的氫離子以及外部電路傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成水,負(fù)極氫原子失去電子變成氫離子和電子分別經(jīng)過(guò)電解質(zhì)和外部電路傳到正極。鋰離子電池和燃料電池基本原理、正負(fù)極材料等如表1所示。

        表1 鋰離子電池和燃料電池工作原理和組成材料Table 1 Principle and components of Lithium-ion battery and fuel cell

        3 鋰離子電池與燃料電池的主要技術(shù)特性

        3.1 性能

        鋰離子電池和燃料電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)決定了電池的可逆電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于一個(gè)電化學(xué)反應(yīng),其可逆電動(dòng)勢(shì)可由公式(1)計(jì)算為:

        (1)

        其中ΔG是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能的變化,吉布斯自由能的變化反映了電化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上的可能性,ΔG 的大小由反應(yīng)本身的性質(zhì)、反應(yīng)物和生成物的濃度以及反應(yīng)溫度決定。n為每摩爾反應(yīng)物轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù),F(xiàn)為法拉第常數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃料電池的可逆電動(dòng)勢(shì)為1.25V左右,可逆電動(dòng)勢(shì)隨溫度升高而降低[5]。而對(duì)于鋰離子電池,由于在反應(yīng)過(guò)程中正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化,因此其可逆電動(dòng)勢(shì)也不斷變化,電池的可逆電動(dòng)勢(shì)與反應(yīng)發(fā)生的程度有對(duì)應(yīng)的關(guān)系,因此可以根據(jù)OCV-SOC曲線,通過(guò)測(cè)量OCV判斷電池的荷電狀態(tài)。燃料電池和鋰離子電池在實(shí)際使用過(guò)程中性能曲線如表2所示。

        表2 鋰離子電池與燃料電池性能Table 2 Performance of lithium-ion battery and fuel cell

        3.2 能量密度

        電動(dòng)汽車完全以電池作為動(dòng)力,更強(qiáng)調(diào)充電后的續(xù)駛能力,因而更關(guān)注電池的能量密度。鋰離子電池能量密度提升受制于電池材料理論瓶頸。目前,國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽動(dòng)力型動(dòng)力電池正極材料以磷酸鐵鋰(LFP)為主,負(fù)極材料仍主要采用石墨材料,其比能量約為 90~140Wh/kg[11]。而燃料電池是一種發(fā)電裝置,能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池。在與能量密度直接對(duì)應(yīng)的整車?yán)m(xù)駛里程方面,頂級(jí)豪華電動(dòng)汽車Tesla的續(xù)駛里程剛達(dá)到500km;而以豐田Mirai、現(xiàn)代ix35為典型代表的燃料電池車?yán)m(xù)駛里程都在500km以上。因此在能量密度方面,燃料電池比鋰離子電池好。

        3.3 壽命

        燃料電池和鋰離子電池的性能都會(huì)隨著電池使用程度的加深而變差。并且汽車的起停和加減速工況占總工況的很大一部分,這使得電池工作電流區(qū)間跨度大,且電流變化率也非常大,這無(wú)疑會(huì)縮短電池壽命。因此,對(duì)動(dòng)力型燃料電池和鋰離子電池的壽命問(wèn)題進(jìn)行研究成為其使用關(guān)鍵問(wèn)題之一。

        表3 燃料電池和鋰離子電池壽命、衰減機(jī)理及原因Table 3 Aging Cause and mechanism of lithium-ion battery and fuel cell

        3.4 成本

        目前,國(guó)內(nèi)鋰離子電池系統(tǒng)的成本在1800元/kWh左右,燃料電池堆(不含系統(tǒng)中的燃料系統(tǒng)等各種附件)的成本在5000元/kW左右。對(duì)于一輛普通轎車,假設(shè)是電動(dòng)汽車,電量配置60kWh(BYD E6配置60kWh)其成本在9.6萬(wàn)元。如果是燃料電池車,功率配置100kW(豐田Mirai配置114kWh),電堆成本在50萬(wàn)左右。

        燃料電池的成本目前明顯高于鋰離子電池,這是限制燃料電池發(fā)展的瓶頸。一般認(rèn)為,燃料電池的成本偏高主要是由于使用了貴金屬Pt,而實(shí)際Pt的成本計(jì)算如下:目前較高的Pt載量的水平為:0.4mg/cm2,其電性能水平為1600Ma@0.6V/cm2,即0.96W/cm2。對(duì)于100kW的燃料電池系統(tǒng)中使用的Pt含量為41.67g。Pt的價(jià)格按照500元/g計(jì)算,使用的Pt的成本為41.67×500=20833元。對(duì)于100kW的燃料電池堆的成本在50萬(wàn)元以上,Pt的成本只占總成本的4%左右。燃料電池的成本主要是因?yàn)槟壳安牧虾拖到y(tǒng)的工藝都不太成熟,而隨著商業(yè)化的發(fā)展,其成本必然有非常大幅度下降。

        3.5 安全性與相關(guān)法規(guī)

        動(dòng)力電池的安全性是電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中首先需要考慮和解決的問(wèn)題。動(dòng)力型鋰離子電池安全性的提高需要建立從材料、電池及關(guān)鍵部件到系統(tǒng)安全保障等一系列技術(shù)措施。隨著單體電池的大型化和成組化使用,動(dòng)力型鋰離子電池系統(tǒng)安全問(wèn)題面臨著新的挑戰(zhàn)。而燃料電池的燃料是氫氣,屬于易燃易爆氣體,因此市場(chǎng)普遍擔(dān)心其的安全性問(wèn)題,而實(shí)際上氫氣的安全性相較于汽油和天然氣并不差。

        單體層級(jí)燃料電池的安全設(shè)計(jì)少于鋰離子電池。系統(tǒng)集成層級(jí)燃料電池系統(tǒng)比鋰離子電池系統(tǒng)復(fù)雜。由于使用了可燃?xì)怏w氫氣,多了對(duì)氫氣的泄露保護(hù)設(shè)計(jì)。由于需要防止質(zhì)子交換膜潤(rùn)濕不充分帶來(lái)的影響,需要通過(guò)監(jiān)控內(nèi)阻來(lái)監(jiān)控內(nèi)部濕度的變化。燃料電池和鋰離子電池相關(guān)安全性設(shè)計(jì)如表4所示。

        表4 燃料電池和鋰離子電池安全性設(shè)計(jì)Table 4 Safety design of lithium-ion battery and fuel cell

        表5 燃料電池和鋰離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Standards of lithium-ion battery and fuel cell

        動(dòng)力型鋰離子電池的還原劑和氧化劑都存儲(chǔ)在同一個(gè)裝置中,之間僅有一層微米級(jí)別厚度的隔膜,而燃料電池的還原劑和氧化劑在電池外部分開(kāi)放置。從原理上講,燃料電池的安全性優(yōu)于鋰離子電池。通過(guò)一系列的安全防護(hù),兩種電池的安全性都在可接受的程度。

        為了保證動(dòng)力電池的安全性,國(guó)家針對(duì)動(dòng)力型鋰離子電池和燃料電池制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn),從而確保動(dòng)力電池的安全性、可靠性。如表5所示,燃料電池相對(duì)鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)偏少,發(fā)行時(shí)間早,標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)狀符合性不如鋰離子電池。電動(dòng)汽車有對(duì)應(yīng)的定型試驗(yàn)規(guī)程《GB/T 18388—2005電動(dòng)汽車定型試驗(yàn)規(guī)程》,而燃料電池車定型規(guī)程作為汽車行業(yè)對(duì)于新能源汽車產(chǎn)品定型的一個(gè)必備標(biāo)準(zhǔn)急待推出。

        4 前景及展望

        綜合來(lái)看,在能量密度、壽命和安全性方面燃料電池優(yōu)于鋰離子電池;而在成本方面,燃料電池比不上鋰離子電池。目前鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)為能量密度提升,安全性,熱管理,系統(tǒng)集成優(yōu)化控制等;燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)有耐久性,冷啟動(dòng),系統(tǒng)集成優(yōu)化控制等。無(wú)論燃料電池還是鋰離子電池,相關(guān)的技術(shù)均有大量進(jìn)步的空間。對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō),如果其能量密度能夠進(jìn)一步提高,循環(huán)壽命能夠更長(zhǎng),則也是一種非常優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)能源。如果燃料電池的成本能夠降低,則能夠真正作為汽油/柴油燃料的替代能源。能量密度的提升面臨基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的瓶頸,很難得有質(zhì)的提升;而成本的降低,可以通過(guò)商業(yè)化解決。因此短期來(lái)看,鋰離子電池比燃料電池更適用;長(zhǎng)期來(lái)看,燃料電池比鋰離子電池更有發(fā)展前景。

        [1] 劉萬(wàn)祥. 2016年動(dòng)力電池出貨量達(dá)28Gwh, 比亞迪/CATL/沃特瑪/國(guó)軒四家占比66%[EB/OL]. 2017-03-01, http://www.d1ev.com/49518.html

        [2] 王福鸞, 杜軍, 裴金海. 全球鋰電池市場(chǎng)狀況和應(yīng)用發(fā)展綜述[J]. 電源技術(shù), 2014, 38(3):564-568.

        [3] Wang Y, Chen K S, Mishler J, et al. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research[J]. Applied Energy, 2011, 88(4):981-1007.

        [4] 衣寶廉. 燃料電池現(xiàn)狀與未來(lái)[J]. 電源技術(shù), 1998, 22(5):216-221.

        [5] O’Hayre R, 車碩源, Colella W, 等. 燃料電池基礎(chǔ)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

        [6] 胡廣俠.鋰離子電池充放電過(guò)程的研究[D]. 上海: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 2002.

        [7] 崔學(xué)軍, 李國(guó)軍, 盧俊峰, 等. 正極材料LiFePO4充放電原理及改性研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2010, 24(11):53-57.

        [8] 桂長(zhǎng)清. 溫度對(duì)LiFePO4鋰離子動(dòng)力電池的影響[J]. 電池, 2011, 41(2):88-91

        [9] 任庚坡, 于立軍, 姜秀民, 等. 質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響因素的數(shù)值分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 40(8):1278-1282.

        [10] 李驕陽(yáng), 王莉, 何向明. 動(dòng)力鋰電池的未來(lái)發(fā)展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2016, (3):25-30.

        [11] Barré A, Deguilhem B, Grolleau S, et al. A review on lithium-ion battery ageing mechanisms and estimations for automotive applications[J]. Journal of Power Sources, 2013, 241 (11):680-689.

        [12] Han X B, Ouyang M G, Lu L G, et al. A comparative study of commercial lithium ion battery cycle life in electrical vehicle: Aging mechanism identification[J]. Journal of Power Sources, 2014, 251:38-54.

        [13] Omar N, Monem M A, Firouz Y, et al. Lithium iron phosphate based battery - Assessment of the aging parameters and development of cycle life model[J]. Applied Energy, 2014, 113(1):1575-1585.

        [14] Bodenes L, Naturel R, Martinez H, et al. Lithium secondary batteries working at very high temperature: Capacity fade and understanding of aging mechanisms[J]. Journal of Power Sources, 2013, 236:265-275.

        [15] Kjell M H, Malmgren S, Ciosek K, et al. Comparing aging of graphite/LiFePO4 cells at 22℃ and 55℃ - Electrochemical and photoelectron spectroscopy studies[J]. Journal of Power Sources, 2013, 243:290-298.

        [16] 侯中軍, 衣寶廉. 質(zhì)子交換膜燃料電池性能衰減研究進(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2005, 29(7):482-487.

        [17] 石偉玉, 劉常福, 慕竣屹, 等. 模擬車用工況下PEMFC壽命測(cè)試及分析[J]. 電源技術(shù), 2016, 40(1):77-80.

        [18] 余意. 頻繁啟停對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池堆性能的影響[J]. 電池, 2015, 45(2):74-77.

        [19] 戴麗萍, 熊俊俏, 劉海英. 雜質(zhì)氣體對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2013, 32(9):2068-2076.

        [20] 余意, 王諶, 詹志剛等. 質(zhì)子交換膜燃料電池啟停衰減的研究進(jìn)展[J]. 電池工業(yè), 2010,15(2):120-123.

        猜你喜歡
        鋰離子燃料電池安全性
        新染料可提高電動(dòng)汽車安全性
        某既有隔震建筑檢測(cè)與安全性鑒定
        高能鋰離子電池的“前世”與“今生”
        科學(xué)(2020年1期)2020-08-24 08:07:56
        燃料電池題解法分析
        試駕豐田氫燃料電池車“MIRAI未來(lái)”后的六個(gè)疑問(wèn)?
        車迷(2017年12期)2018-01-18 02:16:11
        燃料電池的維護(hù)與保養(yǎng)
        電子制作(2017年10期)2017-04-18 07:23:13
        ApplePay橫空出世 安全性遭受質(zhì)疑 拿什么保護(hù)你,我的蘋(píng)果支付?
        鋰離子動(dòng)力電池的不同充電方式
        Imagination發(fā)布可實(shí)現(xiàn)下一代SoC安全性的OmniShield技術(shù)
        鋰離子電池組不一致性及其彌補(bǔ)措施
        汽車電器(2014年5期)2014-02-28 12:14:15
        狠狠97人人婷婷五月| 成人免费视频自偷自拍| 色婷婷一区二区三区久久亚洲 | 久久久精品亚洲一区二区国产av| 亚洲精品色婷婷在线影院| 国产成人无码av在线播放dvd| 亚洲欧洲日韩另类自拍| 免费蜜桃视频在线观看| 免费不卡无码av在线观看| 精品久久久噜噜噜久久久| 久久久久久久一线毛片| 亚洲日本精品一区二区三区| 久久无码潮喷a片无码高潮| 18分钟处破好疼哭视频在线观看 | 亚洲 无码 制服 丝袜 自拍| 日韩一区中文字幕在线| 欧美疯狂性受xxxxx喷水| 9lporm自拍视频区| 人妻无码在线免费| 亚洲一区二区av天堂| 日本熟妇美熟bbw| 国产亚洲精品久久久久久久久动漫| 国产男女乱婬真视频免费| 男女做羞羞事的视频网站| 亚洲av无码一区二区三区乱子伦| 亚洲欲色欲香天天综合网| 久久国产劲爆内射日本| 国产毛片黄片一区二区三区| 在线不卡av片免费观看| 丝袜欧美视频首页在线| av国产自拍在线观看| 亚洲人成国产精品无码果冻| 亚洲一区二区三区日本久久九| 日本av一区二区播放| 真实夫妻露脸爱视频九色网| 午夜无码片在线观看影视| 亚洲一区二区自拍偷拍| 亚洲熟女av在线观看| 又嫩又硬又黄又爽的视频| 亚洲AV电影天堂男人的天堂| 青青草在线成人免费视频|