Сравнение динамических литий-ионных аккумуляторов с топливными элементами

С непрерывным развитием экономики растет число владельцев автомобилей во всем мире. Большой расход топлива делает энергетический кризис все более серьезным, а выбросы автомобильных выхлопных газов делают загрязнение окружающей среды все более серьезным. Поэтому в последние годы многие автомобильные предприятия сосредоточились на исследованиях транспортных средств на новой энергии, пытаясь заменить использование двигателей внутреннего сгорания. Разработка транспортных средств на новой энергии становится все быстрее и быстрее. Большой популярностью пользуются электромобили в лице Tesla, а в последнее время большое внимание привлекают автомобили на топливных элементах в лице Toyota Mirai. Литий-ионные батареи и топливные элементы как основные компоненты электромобилей и автомобилей на топливных элементах играют решающую роль в их развитии.

Динамические литий-ионные аккумуляторы в некоторой степени коммерциализированы. В 2016 году внутренние поставки аккумуляторных батарей составляли 28 ГВтч, литий-железо-фосфатные батареи по-прежнему составляли основную долю рынка - 20 ГВтч, трехкомпонентные батареи составляли всего 6,3 ГВтч, остальные составляли манганат лития, титанат лития, батарея из немХ, суперконденсатор и батареи из других материалов. Ожидается, что количество отечественных производителей литиевых батарей составит около 150, а тройку лидеров по объемам поставок составляют byd, CATL и watma. Топливные элементы пока отсутствуют в продаже. Участвуют только несколько связанных предприятий, таких как Beijing ehuatong, xinyuan power, saic motor и уханьский технологический институт.

Ниже мы познакомим вас с характеристиками литий-ионного аккумулятора и топливного элемента с точки зрения принципа работы, производительности и безопасности, чтобы углубить наше понимание и понимание их.

Во-первых, принцип работы литий-ионного аккумулятора и топливного элемента.

Литий-ионный аккумулятор - это своего рода накопитель энергии. Обычно используемые литий-ионные батареи можно разделить на литий-железо-фосфатные (LFP), трехкомпонентные и литиево-манганатные (LMO) в зависимости от материалов положительного электрода. В качестве примера возьмем литий-железо-фосфатную батарею: при разряде фосфат железа в положительном электроде и ионы лития, переносимые с отрицательного электрода через электролит, и электроны, переносимые из внешней цепи, объединяются с образованием фосфата лития-железа. Литий, внедренный в графитовый слой отрицательного электрода, разряжается и становится ионами лития и электронами, которые переносятся на положительный электрод через электролит и внешнюю цепь соответственно.

Топливный элемент - это, по сути, генератор, топливо и окислитель которого преобразуются в электричество путем электрохимической реакции без сгорания. Следовательно, топливные элементы не ограничены циклом Карно, и эффективность преобразования энергии высока. Топливные элементы могут быть эффективны до 60 процентов при использовании в качестве блока преобразования энергии и до 80 процентов при использовании в качестве когенерационной установки. Топливные элементы делятся на базовый топливный элемент (AFC), топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC), топливный элемент на твердом оксиде (SOFC), топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC) и топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC) в соответствии с их электролитами. Области применения различных типов топливных элементов в различных средах, а также использование диапазона температур топливных элементов с протонообменной мембраной от комнатной температуры до 80 ℃ или около того, в настоящее время в автомобиле с топливными элементами, использующими основные, относятся к этому типу. В топливном элементе с протонообменной мембраной (pemfc), например, при выработке электричества положительный кислород и ион водорода из отрицательного электрода и электроны из внешней цепи объединяются с образованием воды, а отрицательный атом водорода теряет электроны и превращается в ион водорода, и электроны передаются к положительному электроду через электролит и внешнюю цепь соответственно.

II. Основные технические характеристики литий-ионных аккумуляторов и топливных элементов

представление

Обратимая электродвижущая сила литий-ионного аккумулятора определяется химическими реакциями, происходящими в топливном элементе. Для электрохимической реакции обратимая ЭДС может быть рассчитана по следующей формуле:

Изменение свободной энергии Гиббса электрохимической реакции в стандартном состоянии отражает термодинамическую возможность электрохимической реакции, которая определяется характером самой реакции, концентрацией реагентов и продуктов, а также температурой реакции. N - количество электронов, перенесенных на моль реагента, F - постоянная Фарадея. При стандартных условиях обратимая ЭДС топливного элемента составляет около 1,25 В. Для литий-ионных батарей обратимая электродвижущая сила постоянно меняется из-за постоянного изменения структуры материалов положительного и отрицательного электрода в процессе реакции. Обратимая электродвижущая сила батареи имеет соответствующую взаимосвязь со степенью реакции. Следовательно, о заряженном состоянии аккумулятора можно судить, измеряя OCV в соответствии с кривой ocv-soc. Кривые рабочих характеристик топливных элементов и литий-ионных аккумуляторов при фактическом использовании показаны в таблице 2.

Плотность энергии

Электромобили полностью питаются от аккумуляторов, уделяя больше внимания способности продолжать движение после зарядки, уделяя больше внимания плотности энергии аккумулятора. Улучшение удельной энергии литий-ионных батарей ограничено теоретическим узким местом материалов батарей. В настоящее время фосфат лития-железа (LFP) является основным материалом положительного электрода в бытовых электрических паровых аккумуляторных батареях, в то время как графит по-прежнему является основным материалом отрицательного электрода, удельная энергия которого составляет около 90 ~ 140 Вт · ч / кг. С другой стороны, топливные элементы представляют собой устройства для выработки энергии с гораздо более высокой плотностью энергии, чем литий-ионные батареи. С точки зрения дальности движения всего автомобиля, непосредственно соответствующей плотности энергии, дальность движения Tesla, топового роскошного электромобиля, только что достигла 500 км. Типичные автомобили на топливных элементах, представленные Toyota Mirai и hyundai ix35, имеют непрерывный запас хода более 500 км. Таким образом, топливные элементы лучше по плотности энергии, чем литий-ионные батареи.

жизнь

Производительность как топливных элементов, так и литий-ионных батарей ухудшается с увеличением срока службы батарей. Кроме того, условия запуска и остановки, ускорения и замедления автомобиля составляют большую часть общих условий работы, что делает диапазон рабочего тока аккумулятора широким, а скорость изменения тока очень большой, что, несомненно, сократит время автономной работы. Поэтому изучение срока службы топливных элементов и литий-ионных аккумуляторов является одной из ключевых проблем.

Цена

В настоящее время стоимость бытовой литий-ионной аккумуляторной системы составляет около 1800 юаней / кВтч, а стоимость батареи топливных элементов (без топливной системы и других принадлежностей в системе) составляет около 5000 юаней / кВт. Для обычного автомобиля, допустим, это электромобиль, с конфигурацией мощности 60 кВтч (конфигурация BYDE6 60 кВтч), его стоимость составляет 96000 юаней. Если это автомобиль на топливных элементах, конфигурация мощности составляет 100 кВт (конфигурация Toyota Mirai - 114 кВтч), а стоимость электрического реактора составляет около 500 000 юаней.

Стоимость топливных элементов намного выше, чем литий-ионных аккумуляторов, что является узким местом при разработке топливных элементов. Обычно считается, что высокая стоимость топливных элементов в основном связана с использованием драгоценного металла Pt, но фактическая стоимость Pt рассчитывается следующим образом: текущий уровень более высокой нагрузки Pt составляет 0,4 мг / см2, а его электрические характеристики уровень составляет 1600 мА при 0,6 В / см2, то есть 0,96 Вт / см2. Для системы топливных элементов мощностью 100 кВт используемое содержание Pt составляет 41,67 г. Цена Pt рассчитывается из расчета 500 юаней / г, а стоимость использования Pt составляет 41,67 * 500 = 20833 юаня. Стоимость Pt составляет всего около 4% от общей стоимости реактора на топливных элементах мощностью 100 кВт, который стоит более 500 000 юаней. Стоимость топливных элементов в основном связана с незрелостью материалов и системных технологий. Однако с развитием коммерциализации стоимость топливных элементов неизбежно резко упадет.

Безопасность и правила

Безопасность аккумуляторной батареи - это первая проблема, которую необходимо рассмотреть и решить при разработке электромобиля. Чтобы повысить безопасность динамических ионно-литиевых батарей, необходимо принять ряд технических мер, включая материалы, батарею и ключевые компоненты, безопасность системы и так далее. При крупномасштабном и групповом использовании одной батареи безопасность динамической литий-ионной аккумуляторной системы сталкивается с новыми проблемами. Топливом для топливных элементов является водород, который легко воспламеняется и взрывоопасен, поэтому его безопасность вызывает всеобщую озабоченность. На самом деле водород не менее безопасен, чем бензин и природный газ.

Одноэлементные топливные элементы имеют меньше функций безопасности, чем литий-ионные. Система топливных элементов на уровне интеграции более сложна, чем система литий-ионных батарей. При использовании горючего газа водорода предусмотрена дополнительная конструкция защиты от утечки водорода. Из-за необходимости предотвратить влияние недостаточного смачивания протонообменной мембраны, необходимо контролировать внутреннее сопротивление, чтобы отслеживать изменения внутренней влажности. Конструкция безопасности топливных элементов и литий-ионных аккумуляторов представлена в таблице 4.

Восстановитель и окислитель динамической литий-ионной батареи хранятся в одном устройстве, разделенном мембраной толщиной всего в один микрон, в то время как восстановитель и окислитель топливного элемента размещаются вне батареи. В принципе топливные элементы безопаснее литий-ионных. Благодаря ряду мер предосторожности сохранность обеих батарей является приемлемой.

Чтобы обеспечить безопасность силовых батарей, штат сформулировал серию стандартов для силовых литий-ионных батарей и топливных элементов, чтобы обеспечить безопасность и надежность силовых батарей. Как показано в таблице 5, топливные элементы имеют меньше стандартов, чем литий-ионные батареи, с более ранним временем выпуска, и их соответствие статус-кво не так хорошо, как у литий-ионных батарей. Существует соответствующая спецификация для испытания формы электромобилей, спецификация GB / t18388-2005 для испытания формы электромобиля и спецификация для транспортного средства на топливных элементах, как необходимый стандарт для формирования новых энергетических транспортных средств в автомобильной промышленности, срочно требующиеся. быть запущенным.

III. Перспективы и перспективы

В целом топливные элементы превосходят литий-ионные батареи с точки зрения плотности энергии, срока службы и безопасности. По стоимости топливные элементы не могут конкурировать с литий-ионными батареями. В настоящее время ключевыми технологиями литий-ионных аккумуляторов являются повышение плотности энергии, безопасность, тепловое управление, системная интеграция и управление оптимизацией и т. Д. Ключевыми технологиями топливных элементов являются долговечность, холодный запуск, системная интеграция и оптимальное управление и т. Д. Оба вида топлива элементы и литий-ионные аккумуляторы нуждаются в улучшении. Для литий-ионного аккумулятора, если его плотность энергии может быть дополнительно улучшена, срок службы может быть больше, это также отличная энергия для движения. Если стоимость топливных элементов может быть снижена, они действительно могут служить альтернативой бензину / дизельному топливу. Улучшение плотности энергии сталкивается с узким местом основной предметной области, и очень редко бывает качественное улучшение; Снижение затрат может быть решено за счет коммерциализации. Таким образом, в краткосрочной перспективе литий-ионные батареи лучше топливных элементов; В долгосрочной перспективе топливные элементы более перспективны, чем литий-ионные батареи.

Страница содержит содержимое машинного перевода.