Спиральная эволюция и развитие литиевых батарей и топливных элементов

Если мы внимательно проанализируем изменения в фундаментальных исследованиях и промышленной политике Европейского Союза (ЕС) и Министерства энергетики США (DOE) в области лития и топливных элементов за последние 20 лет, можно ясно увидеть, что литий аккумуляторы и топливные элементы фактически составляют одну «счастливую семью». Фактически, литиевые батареи и топливные элементы в последние несколько десятилетий действительно не были «холодными», но степень внимания к ним изменилась. Это все взлеты и падения, и вы поете в нашу сторону, химическая энергетика так спирально развита. В этой статье рассматривается развитие литиевых батарей и топливных элементов. Давайте обсудим: почему Китай и Япония выбирают разные технические маршруты при разработке чистых электромобилей? Или какая система питания больше подходит для чисто электромобилей?

Транспортные средства на новой энергии - это развивающиеся отрасли, которые были развиты в Китае в последние годы. В январе 2009 года Министерство науки и технологий, Министерство финансов, Национальная комиссия по развитию и реформе и Министерство промышленности и информационных технологий совместно запустили «Десять тысяч демонстрационных и прикладных проектов энергосбережения и новых энергетических транспортных средств». отмечая новое. Энергетическая автомобильная промышленность официально превратилась в национальную стратегию.

В 2012 году Государственный совет издал «План развития энергосберегающих и новых энергетических транспортных средств (2012–2020 годы)», в котором дано определение энергосберегающих транспортных средств и транспортных средств на новой энергии, а также определены пути и цели реализации. В плане уточняется, что разработка автомобилей на новой энергии в Китае будет сосредоточена на чистых электромобилях с литий-ионными аккумуляторами (LIB-EV).

В последние годы электромобили, работающие на чистых литий-ионных аккумуляторах, стали основным направлением транспортных средств на новой энергии в Китае. В настоящее время чистые электромобили Китая - это в основном легковые автомобили с тройными силовыми батареями, в то время как коммерческие автомобили в основном используют схему развития литий-железо-фосфатных батарей.

Япония, являющаяся мировым лидером в разработке и индустриализации электромобилей, несовместима с Китаем в области технологий электромобилей. В декабре 2014 года Toyota, крупнейшая автомобильная компания в мире, официально выпустила Mirai, первый в мире серийный электромобиль на топливных элементах. Цена этого автомобиля в Японии составляла 7,236 миллиона иен (что эквивалентно 383 000 юаней). Цена субсидии составляет 275 000 юаней). Вслед за этим во второй половине 2015 года Honda также выпустила свой автомобиль на топливных элементах FCV Clarity. Фактически, уже в мае 2014 года Министерство экономики, торговли и промышленности Японии опубликовало «Стратегию продвижения по продвижению водорода. Транспортные средства на топливных элементах », который установил внутренний отраслевой стандарт для автомобилей на водородных топливных элементах. После этого японское правительство предложило конкретные цели для транспортных средств на водородных топливных элементах и программ поддержки политики в «Рекомендациях по гидросоциальной политике». Кроме того, японские компании Nissan, Hyundai, General Motors (GM), BMW и Volkswagen (VW) также опубликовали свои собственные планы индустриализации электромобилей на топливных элементах за последние два года. .

Мы видим, что Китай и Япония (фактически включая корейские и европейские основные автомобильные компании) выбрали разные технические маршруты в направлении развития чисто электромобилей. Новости о массовом производстве топливных элементов для двух областей (Toyota и Honda) вызвали бурные дискуссии в отечественной индустрии электромобилей и сформировали две точки зрения:

Одно из мнений состоит в том, что японская автомобильная промышленность ошибается, выбирая маршруты топливных элементов на чистых электромобилях (теория ошибок маршрута). Примером может служить нынешний популярный международный электромобиль Tesla в Соединенных Штатах. Другая точка зрения состоит в том, что Япония разрабатывает автомобили на топливных элементах больше для услуг военной промышленности и вводит в заблуждение направление китайских электромобилей (теория заговора).

Эти разные точки зрения временно игнорируются. Столкнувшись с реальностью мелкомасштабного коммерческого производства автомобилей Toyota и Honda на топливных элементах, первое, что нам нужно серьезно подумать сейчас, - это то, почему Китай и Япония выбрали разные технические маршруты при разработке чистых электромобилей. Или какая система питания больше подходит для чисто электромобилей?

Будь то литий-ионный аккумулятор (Li-ion battery, LIB) или топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), это узкоспециализированная высокотехнологичная область, включающая междисциплинарную интеграцию. Автор достаточно хорошо разбирается в этих двух химических энергосистемах. В этой статье автор откажется от глубоких научных принципов электрохимии, химии твердого тела и электрокатализа и встанет на макроскопическую точку зрения. Химическая энергетическая система анализируется и сравнивается, и есть надежда, что читатели смогут представить несколько различных точек зрения и точек зрения на проблему чистого источника энергии для электромобилей.

Прежде чем сравнивать две энергосистемы, мы должны сначала понять наиболее важные характеристики LIB и PEMFC, чтобы понять соответствующие применимые области этих двух химических источников энергии.

По сути, вторичная батарея - это устройство накопления энергии, которое накапливает и высвобождает электрическую энергию посредством обратимой электрохимической реакции. Основным показателем способности вторичной батареи накапливать электрическую энергию является плотность энергии (Вт / кг или Вт / л). Топливный элемент - это устройство для производства электроэнергии, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую с помощью электрокаталитической реакции. Хотя топливный элемент также называют «аккумулятором» (причина перевода на китайский язык), его основной рабочий режим несколько похож на режим работы двигателя внутреннего сгорания, который существенно отличается от обычного вторичного аккумулятора. Основным показателем производственной мощности топливных элементов является удельная мощность (Вт / кг или Вт / л). Различный характер работы двух электрохимических энергетических систем напрямую определяет их различное положение на прикладном уровне, о чем я подробно расскажу позже.

Исследования и разработки литий-ионных аккумуляторов и топливных элементов

Прежде чем сравнивать и анализировать перспективы применения литий-ионных батарей (LIB) и топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC) в области чистых электромобилей, необходимо кратко рассмотреть развитие этих двух, чтобы читатели могли быть более интуитивно понятными. . Если мы внимательно проанализируем изменения в фундаментальных исследованиях и промышленной политике Европейского Союза (ЕС) и Министерства энергетики США (DOE) в области лития и топливных элементов за последние 20 лет, можно ясно увидеть, что литий аккумуляторы и топливные элементы фактически составляют одну «счастливую семью».

Фактически, в конце девятнадцатого века автомобили были впервые разработаны из транспортных средств-батарей. Пик производства автомобилей с свинцово-кислотными аккумуляторами пришелся на начало 20 века. Однако с инновационным использованием производственной линии для производства автомобиля Т в 1908 году (существенное снижение стоимости) и появлением электрического зажигания бензинового автомобиля в 1912 году (более удобное использование), это нанесло смертельный удар по свинцово-кислотный аккумулятор автомобиля. Электромобиль с тех пор ушел с исторической сцены. До конца прошлого века из-за технологических достижений в области высокоэнергетических химических источников энергии (аккумуляторные батареи и топливные элементы) электромобили снова привлекали внимание. Первый международный раунд исследований топливных элементов произошел в 1970-х годах. В связи с потребностями космической промышленности США было продвинуто использование щелочных топливных элементов (AFC). Позже GM также произвела первый в мире автомобиль на топливных элементах AFC. Поскольку AFC должен использовать чистый кислород и не может напрямую использовать воздух, AFC не может использоваться в гражданской сфере, но многие технологии AFC позже были перенесены в PEMFC.

В 1970-х годах два международных нефтяных кризиса, вызванных арабо-израильской войной, не только оказали глубокое влияние на глобальную политическую и экономическую структуру, но и побудили западные страны глубоко осознать важность поиска новых источников энергии и, таким образом, нового максимума. энергия. Изучение химической энергии дало беспрецедентный импульс. Именно в этот период люди добились большого прогресса в фундаментальных исследованиях органических электролитов, материалов твердых электродов, протонообменных мембран и кинетики электродных процессов. Натриево-серная батарея и литий-ионная батарея - это основные принципы, построенные в этот период. .

Благодаря прогрессу в исследованиях в области оксидов переходных металлов, соединений интеркалирования лития графита и органических электролитов в 1980-х годах японская корпорация SONY впервые успешно ввела в производство литий-ионные батареи в 1991 году. Первоначальная литий-ионная батарея имеет низкую плотность энергии. за счет использования пиролизованного полиацетального твердого углеродного анодного материала. С тех пор, как Osaka City Gas Company в 1994 году произвела промышленное внедрение MCMB, характеристики литий-ионного аккумулятора были значительно улучшены, чтобы быстро занять аккумулятор мобильного телефона. Рынок быстро развивался, и в конце прошлого века началась первая волна индустриализации литиевых батарей в глобальном масштабе. Этому соответствует первый раунд международных исследований литиевых батарей с 1995 по 2002 год. Разработка литий-ионных аккумуляторных батарей также начала появляться в начале этого века (представленная французской SAFT), но не привлекла широкого внимания по всему миру.

В 1996 году администрация Клинтона США открыла прелюдию к фундаментальным исследованиям и индустриализации «водородной экономики» (водородная энергия и топливные элементы), за которыми последовал ЕС. За восемь лет правления президента Буша исследования «водородной экономики» достигли своего пика в западных развитых странах, особенно в Соединенных Штатах, и это фундаментальные исследования литий-ионных батарей с 2002 по 2007 год. он упал в корыто. Конечно, индустриализация литиевых батарей все еще быстро развивается.

Второй раунд исследований / индустриализации топливных элементов постепенно остыл после 2007 года. Подробности будут подробно обсуждены в следующих главах. С тех пор, как Обама был избран президентом США в 2008 году, правительство США перешло от водородных и топливных элементов к литий-ионным батареям в стратегическом направлении электромобилей, что является вторым этапом исследований и индустриализации литиевых батарей в мире. Это изменение не является желанием Министерства энергетики. Основная причина этого - промышленное производство и хранение водорода, а также технические проблемы топливных элементов с точки зрения технологии, стоимости и долговечности. Эти проблемы серьезно затруднили индустриализацию электромобилей на топливных элементах.

Новая политика Японии в области энергетических исследований и индустриализации в основном формулируется Агентством по развитию технологий новой энергетики (NEDO). В отличие от американских горок литиевых и топливных элементов в США и Европе, Япония не сильно отставала в поддержке за последние несколько десятилетий. Между этими двумя полями нет большой разницы в поддержке. Это главным образом связано с тем, что Япония занимает лидирующие позиции в глобальной индустриализации в обеих областях, а промышленность литиевых батарей в Европе и США еще не получила развития.

Если мы внимательно изучим годовые отчеты Министерства энергетики по литиевым батареям (проекты BATT и ABR), проекту ЕС ALISTORE и проектам NEDO, связанным с литием в Японии, мы увидим это по сравнению с плодотворным бумом исследований литиевых батарей первого раунда в США. В конце прошлого века этот раунд фундаментальных исследований на основе лития в основном не привел к прорыву, но имеет очевидные академические характеристики «пенообразования» (выраженные в «нано-литии» и фосфате лития-железа), следующем этапе DOE в high-energy Изменение направления финансирования в химической энергетике будет вопросом времени. Фактически, технический путь и цели развития Министерства энергетики США всегда были основным ориентиром для Министерства науки и технологий и Министерства промышленности и информационных технологий при разработке политики исследований и индустриализации транспортных средств на новых источниках энергии. Итак, каков следующий раунд исследований Министерства энергетики и индустриализации новых высокоэнергетических химических источников энергии? Подождем и посмотрим.

Фактически, читатели, знакомые с историей развития химической энергетики, должны понимать, что вторичные батареи и топливные элементы не были действительно "холодными" в последние несколько десятилетий, но степень внимания к ним изменилась. Они пережили взлеты и падения, и именно так началась химическая энергетика.

Страница содержит содержимое машинного перевода.