鉅大LARGE | 點擊量：1278次 | 2020年03月07日
共生共存的氫燃料電池與鋰離子電池
假如LIB和FC互相補充對方的弱點，則在一些目前各自單獨都無法完成的用途上產(chǎn)生新突破的可能性極其高。
專家問答了解燃料鋰電池：
Q1：什么是燃料鋰電池（FC）？它與鋰離子二次電池有何不同？
A1:操作原理與Li離子二次電池的操作原理相同，都是負極材料被正極材料氧化時，釋放電量。具體到燃料鋰電池就是氫氧化形成水的反應(yīng)，與緩慢燃燒一樣。所不同的是由H離子代替Li離子移動放電（發(fā)電），因此燃料鋰電池也可以說是“H（氫）離子電池”。不過，目前已經(jīng)商用化的只有不能充電的一次電池。
PEFC（固態(tài)高分子型燃料鋰電池）的組成
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
Q2：與鋰離子二次電池相比有哪些特點？假如不能充電那是一次性的嗎？
A2：氫氣本身的燃燒能量密度是汽油的3倍。即使是在燃料鋰電池系統(tǒng)中，能量密度也高達鋰離子二次電池的5倍左右，因此可以使用很長時間。即使初始容量耗盡，也不會是一次性的。原因是正極材料（氧氣）在空氣中存在且不會消失。負極材料（氫）也是氣體，當(dāng)它消耗完后可以重新填充。
Q3：氫氣來自哪里？
A3：（例如）可以從水或太陽提取，然后將提取的氫氣在燃料鋰電池中使用時，它又會變回水。太陽能發(fā)電和水電解設(shè)備，燃料鋰電池可以說是通過水和氫將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的機制。
包含氫氣制造的材料循環(huán)圖
Q4：二十年前日本就在提燃料鋰電池與氫氣社會，這一次是真的要來到了嗎？
A4：最近，各種技術(shù)的發(fā)展和社會環(huán)境的變化顯示時機有到來的趨勢。例如：
輸出密度比20年前提高了3倍以上。
電動汽車（EV）、無人機等領(lǐng)域一度引起熱潮，但在實際用途中續(xù)航里程以及充電時間等痛點問題非常深刻，越來越多人意識到燃料鋰電池可能解決上述問題。
目前普遍使用城市燃氣和甲醇作為燃料，但是存在氫轉(zhuǎn)化過程中一部分能量被消耗的問題。通過直接使用純氫，可以得出燃料鋰電池的原始性能。目前基礎(chǔ)設(shè)施在逐步完善。
Q5：假如燃料鋰電池出來，還要鋰離子二次電池嗎？FCV與EV的關(guān)系將會如何？
A5：最佳使用方式在技術(shù)上是不同的，通過組合使用燃料鋰電池與鋰離子電池，可以創(chuàng)建迄今無法完成的新應(yīng)用或避免浪費成本。而且許多現(xiàn)有的燃料鋰電池汽車（FCV）配備了容量不小的二次電池，實際上是半EV產(chǎn)品的形態(tài)。所以經(jīng)濟合理性關(guān)于推廣才是最重要的，目前可預(yù)見的趨勢首先是與鋰離子二次電池一起使用才更合適。
FCV考慮首先從商用車輛（公共汽車，長途卡車，叉車，無人機等）引入，其中續(xù)航里程和稼動率很重要。假如未來自動駕駛普及的話，城市汽車采用FCV的可能性也很大。
Q6：有一種說法是日本雖然技術(shù)先進，但布局太早是否被孤立了？
A6：雖然日本制造商在技術(shù)方面保持優(yōu)勢，但海外也在猛烈追趕。在市場開拓和發(fā)展氫氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施等方面，不如說海外現(xiàn)在的進展更快。美國Amazon和Walmart已經(jīng)共計導(dǎo)入了約2萬臺燃料鋰電池（FC）叉車。日本早期布局很早，但中間睡覺了，猛然覺醒的當(dāng)下，有點睡過頭的兔子的狀態(tài)。
1
與LIB電池將保持互補的關(guān)系
我們比較了面向汽車市場的LIB和FC兩種電池技術(shù)的特征。FC電池具備明顯優(yōu)勢的方面是：（1）高能量密度，（2）燃料（充電）時間短，（3）大容量化時低成本。
FC電池與LIB電池不是競爭而是互補關(guān)系
FC系統(tǒng)與鋰離子二次電池（LIB）的比較。能量密度方面即使考慮氫氣罐等，F(xiàn)C系統(tǒng)依然勝出。另一方面，F(xiàn)C的負荷跟隨性和電力利用效率低。雖然容量新增可以實現(xiàn)低成本，但是高功率輸出的成本就比較昂貴。FC使用的加氫站日本國內(nèi)僅有大約100個，但快速充電器就有大約7000所，假如包含家用交流電源，則電動汽車得充電設(shè)施數(shù)量與FC差異巨大。
（A）EV與FCV長途駕駛時的優(yōu)劣比較
（B）EV和FCV的用途區(qū)分
行駛距離越長差異就越大
使用EV卡車和FCV卡車時的差異（a）。EV卡車的速度通常相對較快，但巡航距離較短。此外，現(xiàn)有充電設(shè)施要超過3個半小時才能充滿電。充電時間成為長途旅行的一大損失。另一方面，即使FCV卡車的行駛速度低，巡航距離很長，充氫只需15到20分鐘。因此，F(xiàn)CV卡車的平均時速更高。
為了差別應(yīng)用，在不要長續(xù)航距離的城市道路應(yīng)用中，充電機會多且電力利用效率更高得EV是有利的，另一方面重型應(yīng)用與無人機等電池的重能量密度很重要的應(yīng)用，以及24小時駕駛的自動駕駛出租車等應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)CV都成為更有利的選擇。最近，還開始開發(fā)用于自動駕駛車輛在氫站充氫時不要人員介入的充氫機器人動向（b）。
2
LIB電池彌補FC電池的弱點
雖然按照上面得說法即使都用FCV電池看起來也還不錯，但現(xiàn)實并非如此，同樣FCV還存在一些弱點。具體而言，（1）短距離應(yīng)用中的電力使用效率低，（2）負載跟隨能力低，（3）不容易實現(xiàn)高功率輸出，（4）充電基礎(chǔ)設(shè)施，即充氫站的數(shù)量是遠遠不夠。
（A）從發(fā)電到使用全過程中，LIB的效率是FC的兩倍
（B）考慮車輛重量等因素后的巡航距離和效率之間的關(guān)系
電力的一般利用效率與汽車效率不同
考慮到諸如FC和LIB等二次電池的一般電力使用效率，F(xiàn)C僅具有LIB（a）的1/2效率。這是因為FC要將電轉(zhuǎn)換成氫，壓縮并輸送，然后再次將氫轉(zhuǎn)換成電的過程中損失很大。另一方面，假如考慮巡航范圍不同的車輛功率使用效率，車輛或無人駕駛飛機二次電池重量能量密度低。同時因為運輸電池本身也會消耗電量，假如通過加大電池數(shù)量來提高續(xù)航里程效率反而會急劇下降（b）。
所以符合這一邏輯的構(gòu)圖是LIB電池僅適用于通過小電池容量就能滿足的短距離駕駛EV。裝載大容量電池以獲得續(xù)航里程的EV車型中，大部分電力將用來運輸電池本身，實際效率將低于FCV車型。無人駕駛飛機應(yīng)用上這一邏輯更加明顯。
許多FCV車型實際是二次電池和FC電池的混合動力型
根據(jù)馬力和續(xù)航里程對目前市面已經(jīng)公布的EV和FCV進行了分類，F(xiàn)CV大約具備相同馬力的EV車型兩倍的續(xù)航里程。然而，最近的FCV車型一般都會搭載小型EV差不多相同容量的二次電池，由二次電池和FC的混合系統(tǒng)進行驅(qū)動。
3
單獨的DRAM，或單獨的HDD都無法獨自驅(qū)動
順便提一下，LIB和FC在內(nèi)的存儲能源技術(shù)之間的關(guān)系非常類似于計算機存儲器中DRAM，SSD，HDD，磁帶等的關(guān)系（圖10）。盡管DRAM具有低延遲，但是新增容量要很大的成本，因此人們將它與SSD（盡管延遲稍大，但比特率低）結(jié)合使用。此外，為了確保更大的記錄容量或長期存儲一般用HDD，而日常則與系統(tǒng)分開保管的磁帶更受歡迎。
FC電池類似于存儲器中HDD或是磁帶的定位
根據(jù)數(shù)據(jù)記錄（存儲器）技術(shù)的特性差異進行區(qū)分（a），以及根據(jù)各種蓄電/存儲能量技術(shù)的特性差異（b）進行比較。在成本和響應(yīng)性方面，LIB電池類似于存儲器技術(shù)中閃存一樣的存在。另一方面，F(xiàn)C電池對應(yīng)于HDD和磁帶。類似于存儲技術(shù)中結(jié)合不同特性的技術(shù)使得個人計算機等成為更加有用的設(shè)備，利用蓄電/能量存儲技術(shù)的組合也有可能產(chǎn)生更高價值。
LIB作為能量儲存技術(shù)在相對短時間內(nèi)充放電用途上由于高效率等優(yōu)勢實用價值高，但用于大規(guī)?；蜷L期存儲的目的則成本太高。與之相反，F(xiàn)C電池在長時間內(nèi)充放電用途上性能優(yōu)異，可以成為非常低成本的長期存儲手段。假如LIB和FC互相補充對方的弱點，則在一些目前各自單獨都無法完成的用途上產(chǎn)生新突破的可能性極其高。
4
LIB和FC電池兩面夾擊“抽水蓄電“
甚至還出現(xiàn)了將上述觀點細化研究形成的論文，考慮了制造成本和使用成本的長期變化，以及使用的差異等。2019年一月，英國帝國理工學(xué)院的研究人員展示了9種儲能技術(shù)的最低利用成本的應(yīng)用及這些技術(shù)隨時間的變化，包括LIB和FC電池。
（a）最便宜的節(jié)能技術(shù)隨著時期不同而變化
（b）假如不能使用壓縮空氣和抽水蓄能發(fā)電前提下，2030年后的狀態(tài)
未來的LIB和燃料鋰電池/氫將成為重要的存儲技術(shù)
英國帝國理工學(xué)院（a）研究人員所展示的放電頻率和放電時間成本競爭力最高的技術(shù)。對九種技術(shù)（LIB電池，F(xiàn)C/氫，NAS（鈉-硫）電池，鉛（Pb）電池，氧化還原液流釩利用率（VRFB），空氣壓縮，抽水發(fā)電蓄能，風(fēng)車，雙電層電容器）從2015年到2050年的成本變遷進行了比較。色密度越高，成本競爭力越高。縱軸的放電時間與功率容量和備用容量等高相關(guān)，這意味著，只要放電時間越長，放電頻率越?。ㄗ笊蠀^(qū)域）就越適合大容量的電量儲存。2040年，LIB電池將部分取代抽水蓄能發(fā)電的重要應(yīng)用，而FC/氫氣已確立了其大型電力的儲備技術(shù)地位。如假設(shè)抽水蓄能發(fā)電不能使用，2030年后FC/氫氣和LIB將變成新的兩大儲能技術(shù)（b）。
根據(jù)這一推測，成本競爭力強的LIB電池取代的將不是FC電池而是抽水發(fā)電。2015年左右抽水發(fā)電成本最低的許多地區(qū)將在2040年被LIB電池取代。雖然抽水蓄能發(fā)電和LIB的“邊界”在2015年重點放在放電是否超過1小時，但到了2040年后LIB價格大幅下降，甚至到放電要12小時的一些用途上，LIB都能體現(xiàn)出成本優(yōu)勢。
目前，日本及歐美電力系統(tǒng)都已經(jīng)開始大量引入LIB以維持電力產(chǎn)量水平。例如，GSYuasa計劃在2020財年之后向北海道電力公司的電力系統(tǒng)引入額定輸出功率為240兆瓦，容量為720兆瓦時的LIB電池。在考慮LIB的成本時，重要的不僅僅是容量，而是額定輸出和容量之間的關(guān)系。上述情況下的容量額定輸出為3小時。鑒于上述論文，考慮到2015年后LIB的價格下跌，將其與抽水蓄能發(fā)電區(qū)分是合理的。反過來假設(shè)要在此額定輸出下繼續(xù)放電24小時，則要5.76GWh（5760MWh）的容量，目前來說是不現(xiàn)實的。
另一方面，在更長充放電時間的使用用途上，F(xiàn)C/氫技術(shù)也逐漸侵蝕當(dāng)前的抽水蓄電的使用區(qū)域，2040年之后將成為持續(xù)3天以上放電用途中成本最為低廉的技術(shù)。事實上，在英國，氫被用作儲存數(shù)月電力的一種儲存技術(shù)已經(jīng)在使用。
5
在LIB和FC/氫氣時代的兩大技術(shù)
順便說一下，抽水蓄能發(fā)電是一個非常大的儲能系統(tǒng)，使用兩個水壩，其環(huán)境負擔(dān)很高，因此未來很難新增建設(shè)。車載應(yīng)用肯定是無法實現(xiàn)，并且其他可用的場景也是有限的。假如將抽水蓄能和空氣壓縮從上面的選擇項中去除，則到了2030年能夠留下來的就是LIB和FC/氫，以及風(fēng)車發(fā)電或雙層電容器。這之后的20年至2050年情況可能都不會發(fā)生太大變化，除非出現(xiàn)意想不到的新技術(shù)，否則LIB和FC/氫的兩大技術(shù)時代將至少持續(xù)數(shù)十年。
