技術(shù)論劍：鋰離子動力電池VS燃料電池

    面對燃料電池汽車量產(chǎn)的現(xiàn)實，業(yè)內(nèi)需要認真思考的是為什么中國和日本在發(fā)展純電動汽車方面選擇了不同的技術(shù)路線？或者說鋰離子電池和燃料電池到底哪種動力系統(tǒng)更加合適純電動汽車？

    不管是鋰離子電池還是質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC)，都是非常專業(yè)的高科技領(lǐng)域，涉及到多學(xué)科的綜合。筆者將從幾個不同的技術(shù)層面對鋰電和燃料電池進行分析對比。

    安全性

    大型鋰離子動力電池的BMS安全監(jiān)控主要是依據(jù)電芯溫度和電壓/電流的變化，鋰電池內(nèi)部的熱失控都是鏈式放熱產(chǎn)氣化學(xué)反應(yīng)，也就是說留給BMS的控制時間極其短暫。而燃料電池系統(tǒng)的安全隱患則來自氫氣。

    本質(zhì)上來說，PEMFC電堆的安全問題主要是物理過程(氫氣泄露與控制)，而鋰電動力電池則是化學(xué)過程(鏈式反應(yīng))。

    實事求是而言，不管是燃料電池系統(tǒng)還是鋰離子動力電池，發(fā)生安全性事故的后果都是極其嚴重的。如果僅僅從控制的角度而言，筆者認為，燃料電池在安全性影響因素的控制方面難度要低于鋰離子動力電池。

    能量密度

    對比鋰離子動力電池和燃料電池，鋰離子動力電池能量密度進一步提升的空間非常有限。如果從最基本電化學(xué)原理的角度思考，這個問題并不難理解，二次電池的能量密度增加并不遵循摩爾定律。

    能量密度更高的新型化學(xué)電源體系目前還都處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化前景依然很不明朗。相對而言，PEMFC的能量密度問題并不是很突出，即便是通過最簡單的增加儲氫罐數(shù)量來保證續(xù)航里程，可操作性也相對比較容易。

    從另一個角度進行思考，二次電池必須向全密封系統(tǒng)發(fā)展而力求做到免維護(對鋰電而言至關(guān)重要)，而正是因為二次電池是個密封系統(tǒng)，才決定了它的能量密度不可能很高。否則的話，一個密閉的高能體系跟炸彈又有什么區(qū)別？從最基本的能量守恒定律就講不通。

    而燃料電池則是一個開放式系統(tǒng)，電堆只是電化學(xué)反應(yīng)場所而已，系統(tǒng)的能量密度主要取決于儲氫系統(tǒng)的儲存量。正因為是個開放體系，燃料電池在能量密度上提高的潛力更大，并且先天具有更好的安全性，這個優(yōu)點恰恰是任何一種二次電池都不具備的。站在電化學(xué)器件的角度，相較于二次電池，燃料電池是化學(xué)電源的一個更高的發(fā)展層次。

    快充

    相對于鋰離子動力電池的快充難題，燃料電池加注氫氣的問題要容易不少。目前幾乎所有的FC-EV，都可以在三分鐘內(nèi)加滿氫氣。雖然三分鐘比常規(guī)的加油時間要長點，但相對于特斯拉6小時的普充/半小時的快充，三分鐘顯然不值一提。但是將鋰電的快充問題和燃料電池加氫進行對比，在筆者看來并不恰當。因為電動汽車充電和電網(wǎng)的結(jié)合很容易，而燃料電池的加氫問題，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度遠比建充電站要大得多。

    功率

    說到倍率性能，筆者這里再討論下鋰電和燃料電池的功率密度問題，因為倍率實際上也就是功率問題。在技術(shù)上，鋰電可以采用一些工藝措施(比如將電極做得很薄或者增加導(dǎo)電劑含量等等)實現(xiàn)較大倍率充放電，但是這些技術(shù)措施必將犧牲電池的能量密度。也就是說從根本上而言，鋰電單體電芯是不可能同時兼具高能量密度和高功率密度的。

    比如，A123的AHR32113單體電芯倍率性能非常優(yōu)異，在40C的超高倍率測試條件下的功率密度可以高達2.7 KW/Kg，但其能量密度僅僅只有70 Wh/Kg而已。又比如，iPhone 6的軟包電芯能量密度已經(jīng)達到了250 Wh/Kg的水平，但是它的倍率性能非常差只能夠在低于0.5 C的低倍率充放電。

    但是筆者要強調(diào)的是，燃料電池可以很容易同時兼具高能量和高功率特性，這正是其獨特的開放式工作原理決定的。PEMFC電堆是電化學(xué)發(fā)生的場所，其獨特的異相電催化反應(yīng)過程，使得不管是氫的電化學(xué)氧化還是氧的電化學(xué)還原，都可以在Pt/C催化劑表面獲得較高的交換電流密度。

    事實上，目前Toyota和GM的新一代PEMFC電堆，在實際工況下(單電池0.6-0.7V)電流密度普遍接近1A/cm2 的水平，比目前國內(nèi)廣泛使用的LFP動力電池在1C 倍率下的電流密度高出大約兩個數(shù)量級。

    Toyota Mirai 的PEMFC系統(tǒng)的能量密度超過350Wh/Kg，而功率密度已經(jīng)達到了2.0 KW/Kg 。相比之下，Tesla Model S的鋰離子電池系統(tǒng)的功率密度則只有0.16 KW/Kg，整整比Mirai低一個數(shù)量級！

    PEMFC電堆是單電池通過壓濾機方式組裝起來的，其功率可以通過增加單電池數(shù)量而提升(非線性關(guān)系)。而PEMFC的能量密度則取決于儲氫系統(tǒng)的儲氫量，同樣也可以通過增加儲氫罐體積或者數(shù)量而獲得提升。

    也就是說，PEMFC系統(tǒng)可以同時兼具高能量密度和高功率密度，而這個特點則是任何一種二次電池都不可能具備的，其根本原因在于封閉體系和開放式工作方式的本質(zhì)區(qū)別。而同時兼具高能量和高功率的工況特性，恰恰是現(xiàn)代汽車對動力系統(tǒng)的最基本技術(shù)要求。<