鋰電和燃料電池低溫性能與可靠性的比較分析

編者按

低溫對鋰離子動(dòng)力電池和PEMFC電堆的影響是很不一樣的。相對而言，低溫對鋰離子電池性能的負(fù)面影響更大一些。

2.4 鋰電和燃料電池低溫性能比較

由于汽車使用地域的廣泛性，低溫性能是動(dòng)力電池必不可少的技術(shù)指標(biāo)。鋰電的低溫性能主要取決于溫度對電極材料的電導(dǎo)、離子擴(kuò)散系數(shù)以及電解液電導(dǎo)率的影響。低溫下電解液的粘度增大電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電池極化急劇增加。一般而言，鋰離子電池的性能在接近零度是急劇下降，-20 oC就幾乎不能正常工作了。低溫下頻繁充放電會(huì)嚴(yán)重惡化動(dòng)力電池的壽命，并且容易導(dǎo)致負(fù)極析鋰而帶來安全隱患。一般而言，針對鋰離子動(dòng)力電池低溫性能的改進(jìn)措施會(huì)對其它一些技術(shù)指標(biāo)比如循環(huán)性和能量密度等帶來較大的負(fù)面影響，并且導(dǎo)致電芯成本的攀升。

PEMFC的低溫問題稱之為冷啟動(dòng)。冷啟動(dòng)要求FC-EV在冰點(diǎn)以下的環(huán)境中，停機(jī)以后可以在一定時(shí)間內(nèi)重新啟動(dòng)。由于在低溫環(huán)境下，PEMFC電堆內(nèi)會(huì)產(chǎn)生阻止電化學(xué)反應(yīng)的冰，因此冷啟動(dòng)是FC-EV商業(yè)化的技術(shù)瓶頸之一。但是PEMFC一旦啟動(dòng)以后，由于自身放熱，即使是在很低的環(huán)境溫度下電堆的溫度也會(huì)很快穩(wěn)定在80-90oC的正常工作溫度范圍，這是PEMFC和鋰電工作方式上的一大不同之處。

PEMFC冰點(diǎn)以下的冷啟動(dòng)問題已經(jīng)有不少理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前， Daimler-Benz已經(jīng)做到了-25 oC 啟動(dòng)，Toyota，Nissan 和Honda已經(jīng)做到了-30 oC 啟動(dòng)，而對普通汽車?yán)鋯?dòng)的目標(biāo)是-40 oC ，因此FC-EV仍然需要進(jìn)一步提升冷啟動(dòng)能力。

從上面的分析我們可以清楚地看到，低溫對鋰離子動(dòng)力電池和PEMFC電堆的影響是很不一樣的。相對而言，低溫對鋰離子電池性能的負(fù)面影響更大一些。

2.5. 鋰離子電池和燃料電池的可靠性比較

電池的可靠性指的是電池發(fā)生事故導(dǎo)致其喪失電能存儲(chǔ)能力的概率。 鋰電的可靠性與其安全性問題有很大的關(guān)聯(lián)，但非同一個(gè)概念。鋰電發(fā)生安全性事故，必然導(dǎo)致其喪失電能存儲(chǔ)能力。但鋰電喪失電能存儲(chǔ)能力并不是都是因?yàn)榘l(fā)生安全性事故，比如由于容量“跳水”導(dǎo)致的電池失效。

動(dòng)力電池系統(tǒng)將成百上千個(gè)單體電芯通過串并聯(lián)組裝在一起，整個(gè)電池系統(tǒng)的可靠性將被急劇放大。從目前國內(nèi)純電動(dòng)汽車所積累的很有限的使用數(shù)據(jù)來看，大型動(dòng)力電池系統(tǒng)的可靠性相對而言還不能令人滿意。鋰離子電池可靠性問題的根源在于前面討論過的安全性影響因素，而這幾個(gè)因素則是由嵌入式反應(yīng)的本質(zhì)特征所決定的。

在討論P(yáng)EMFC可靠性問題之前，我們先看看燃料電池的實(shí)際應(yīng)用情況。PEMFC實(shí)際上是在AFC（堿性燃料電池）的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。而AFC則是為宇航飛行量身定做的動(dòng)力源，上世紀(jì)七十年代美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）首先將AFC電堆應(yīng)用于美國航天飛機(jī)而取得了成功，之后美國國際燃料電池公司（IFC）生產(chǎn)的第三代AFC（標(biāo)稱/極限功率7.0/12.0 KW）后來成為美國航天飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力源，可見燃料電池技術(shù)本身具有極高的可靠性。

另外一個(gè)大規(guī)模使用蓄電池的軍工領(lǐng)域就是常規(guī)潛艇。常規(guī)潛艇采用高能電池系統(tǒng)可以大大增加其水下活動(dòng)時(shí)間，無疑極具戰(zhàn)術(shù)價(jià)值。目前世界各國現(xiàn)役的常規(guī)潛艇的動(dòng)力蓄電池幾乎都是采用鉛酸電池，國際上還沒有鋰離子電池在現(xiàn)役常規(guī)潛艇（主動(dòng)力蓄電池）或者核動(dòng)力潛艇（輔助蓄電池）上裝艇的案例（“雷天生命源稀土鋰離子電池”不在筆者討論范疇）。

西方軍事列強(qiáng)至今沒有在其新一代常規(guī)潛艇上列裝鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的根本原因顯然不是出于價(jià)格考量，而主要是因?yàn)榇笮弯囯x子動(dòng)力電池在可靠性尤其是安全性方面存在較大的隱患，并不能滿足潛艇苛刻的使用環(huán)境。至于之前有媒體報(bào)道的日本最新型的“蒼龍”級常規(guī)潛艇上將首次使用鋰離子電池，后來澄清由于技術(shù)和預(yù)算問題而放棄，而日本下一代常規(guī)潛艇已經(jīng)確定將使用PEMFC作為AIP（不依賴空氣推進(jìn)裝置）動(dòng)力。

目前全球正在或者即將服役的AIP常規(guī)潛艇大多采用PEMFC作為主動(dòng)力電池系統(tǒng)。1987年，德國海軍使用西門子公司（Siemens）的AFC電堆，成功改造了一艘206級試驗(yàn)艇，使其成為全球第一艘具備實(shí)戰(zhàn)能力的燃料電池AIP潛艇。之后，德國連續(xù)發(fā)展了212和214兩級AIP潛艇（PEMFC 電堆由Siemens和HDW聯(lián)合開發(fā)，2×120 KW），目前已發(fā)展到最新型的216級。

俄羅斯、韓國、澳大利亞、以色列和意大利的新型常規(guī)潛艇都采用PEMFC燃料電池AIP技術(shù)。我們可以想象，按照軍品對可靠性和安全性的極高要求，大型PEMFC電堆單純就技術(shù)層面而言已經(jīng)發(fā)展到了高度完善可靠的程度。而事實(shí)上，我們從AFC和PEMFC的發(fā)展歷程來看，燃料電池從一開始就是定位在大型“動(dòng)力電池”而發(fā)展起來的，這跟鋰離子電池從小型的手機(jī)電池一步步發(fā)展到大型動(dòng)力電池的道路是完全不一樣的。

以上我們從幾個(gè)最主要的技術(shù)層面對鋰離子電池和燃料電池進(jìn)行了對比分析。正如筆者在開篇就指出的，二次電池是一個(gè)電能存儲(chǔ)裝置，而燃料電池則是一個(gè)電能生產(chǎn)裝置，這個(gè)最本質(zhì)的差別就決定了兩者在應(yīng)用領(lǐng)域的不同定位。二次電池和燃料電池還有一個(gè)很大不同之處，就是包括鋰離子電池在內(nèi)大型二次電池其單體電芯的能量密度要比采用相同電化學(xué)體系的小電池能量密度降低很多，具體原因筆者前面已經(jīng)討論過。

而燃料電池則正好相反，由于可以有效使用輔助系統(tǒng)改善傳質(zhì)、增濕、排水以及溫度等方面，大型燃料電池系統(tǒng)的功率密度要遠(yuǎn)優(yōu)于微小型燃料電池，這正是為什么航天飛機(jī)和AIP潛艇首選大型燃料電池作為其電力供應(yīng)系統(tǒng)主動(dòng)力源的原因。燃料電池和二次電池諸多不同特點(diǎn)，就決定了二次電池適用于中小功率的儲(chǔ)能用途，而燃料電池則更適合較大功率的應(yīng)用。

因此筆者個(gè)人認(rèn)為，鋰離子電池在乘用車上的定位是輔助動(dòng)力裝置，HEV和PHEV以及小型純電動(dòng)車是其主要應(yīng)用領(lǐng)域。而PEMFC燃料電池從一開始就是作為大型動(dòng)力源發(fā)展起來的，是名副其實(shí)的“動(dòng)力電池”。