動的リチウムイオン電池と燃料電池の比較

経済の継続的な発展に伴い、世界の自動車所有者は増加しています。燃料の大量消費はエネルギー危機をますます深刻にし、自動車の排気ガスは環境汚染をますます深刻にします。そのため、近年、多くの自動車企業が新エネルギー車の研究に注力し、内燃機関の使用に取って代わろうとしています。新エネルギー車の開発はますます速くなっています。テスラを代表する電気自動車が人気を博し、トヨタミライを代表する燃料電池車も最近注目を集めています。電気自動車や燃料電池車のコアコンポーネントであるリチウムイオン電池や燃料電池は、その開発において決定的な役割を果たしています。

動的リチウムイオン電池はある程度商品化されています。 2016年の国内電力電池の出荷台数は28GWh、リン酸鉄リチウム電池は依然として20GWhの主な市場シェアであり、三元材料電池はわずか6.3gwh、その他はマンガン酸リチウム、チタン酸リチウム、ニッケル水素電池、スーパーキャパシターおよびその他の材料電池でした。国内のリチウム電池メーカーは約150社と見込まれており、出荷台数上位3社はbyd、CATL、watmaです。燃料電池はまだ市販されていません。北京俄華、新元電力、上海汽車、武漢工程大学など、関連する企業はごくわずかです。

以下では、リチウムイオン電池と燃料電池の特性を、動作原理、性能、安全性の観点から紹介し、理解を深めます。

まず、リチウムイオン電池と燃料電池の動作原理

リチウムイオン電池は一種のエネルギー貯蔵装置です。一般的に使用されているリチウムイオン電池は、正極の材質により、リン酸鉄リチウム（LFP）電池、terncm電池、マンガン酸リチウム（LMO）電池に分類できます。リン酸鉄リチウム電池を例にとると、放電時に、正極のリン酸鉄と、電解液を介して負極から移動したリチウムイオンと、外部回路から移動した電子が結合して、リン酸鉄リチウムを形成します。負極の黒鉛層に埋め込まれたリチウムは放電してリチウムイオンになり、電解質と外部回路を介してそれぞれ正極に電子が移動します。

燃料電池は本質的に発電機であり、その燃料と酸化剤は、燃焼せずに電気化学反応によって電気に変換されます。そのため、燃料電池はカルノーサイクルの影響を受けず、エネルギー変換効率が高い。燃料電池は、電力変換ユニットとして使用すると60％の効率になり、コージェネレーションユニットとして使用すると80％の効率になります。燃料電池は、電解質に応じて、塩基性燃料電池（AFC）、リン酸燃料電池（PAFC）、固体酸化物形燃料電池（SOFC）、溶融炭酸燃料電池（MCFC）、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）に分類されます。さまざまな環境でのさまざまな種類の燃料電池の応用分野、および現在、ベーシックを使用する燃料電池車では、室温から80℃程度までのプロトン交換膜燃料電池の温度範囲の使用がこのタイプである。たとえば、プロトン交換膜燃料電池（pemfc）では、発電時に、負極からの正の酸素と水素イオン、および外部回路からの電子が結合して水を形成し、負の水素原子は電子を失い、は水素イオンになり、電子はそれぞれ電解質と外部回路を介して正極に移動します。

Ii。リチウムイオン電池と燃料電池の主な技術的特徴

パフォーマンス

リチウムイオン電池の可逆起電力は、燃料電池内で発生する化学反応によって決まります。電気化学反応の場合、その可逆起電力は次の式で計算できます。

標準状態での電気化学反応のギブズの自由エネルギーの変化は、反応自体の性質、反応物と生成物の濃度、および反応温度によって決定される電気化学反応の熱力学的可能性を反映しています。 Nは反応物1モルあたりに移動する電子の数、Fはファラデー定数です。標準状態では、燃料電池の可逆起電力は約1.25Vです。リチウムイオン電池の場合、反応過程で正極材と負極材の構造が絶えず変化するため、可逆起電力は絶えず変化しています。バッテリーの可逆起電力は、反応の程度と対応する関係があります。したがって、バッテリーの充電状態は、ocv-soc曲線に従ってOCVを測定することで判断できます。実際に使用した燃料電池とリチウムイオン電池の性能曲線を表2に示します。

エネルギー密度

電気自動車は完全にバッテリーで駆動され、充電後も運転を継続できることを重視しているため、バッテリーのエネルギー密度に注意を払っています。リチウムイオン電池のエネルギー密度の向上は、電池材料の理論上のボトルネックによって制限されます。現在、家庭用電気蒸気電池の主な正極材料はリン酸鉄リチウム（LFP）であり、比エネルギーは約90〜140Wh / kgの黒鉛が主な負極材料です。一方、燃料電池は、リチウムイオン電池よりもはるかに高いエネルギー密度を備えた発電装置です。エネルギー密度に直結する車両全体のゴルフ練習場で、高級電気自動車のトップであるテスラのゴルフ練習場は500kmに達しました。トヨタミライとヒュンダイix35に代表される典型的な燃料電池車はすべて500km以上の連続走行距離を持っています。したがって、燃料電池はリチウムイオン電池よりもエネルギー密度が優れています。

生活

燃料電池とリチウムイオン電池の両方の性能は、電池の寿命が延びるにつれて低下します。さらに、自動車の始動と停止、加速と減速の条件が全体の作業条件の大部分を占めるため、バッテリーの動作電流の範囲が広くなり、電流の変化率が非常に大きくなり、間違いなく短くなります。バッテリーの寿命。したがって、パワー燃料電池とリチウムイオン電池の寿命を研究することは重要な問題の1つです。

のコスト

現在、国内のリチウムイオン電池システムのコストは約1800元/ kWhであり、燃料電池スタック（燃料システムおよびシステム内の他の付属品を除く）のコストは約5000元/ kWです。普通車の場合、電力構成が60kWh（BYDE6構成が60kWh）の電気自動車とすると、コストは96,000元です。燃料電池車の場合、出力構成は100kW（トヨタみらい構成は114kWh）、リアクトルのコストは約50万元。

燃料電池のコストは、燃料電池開発のボトルネックであるリチウムイオン電池よりもはるかに高くなります。燃料電池の高コストは主に貴金属Ptの使用によるものと一般に考えられていますが、Ptの実際のコストは次のように計算されます。現在の高Pt負荷レベルは0.4mg / cm2であり、その電気的性能レベルは1600Ma@0.6V/cm2、つまり0.96w / cm2です。 100kWの燃料電池システムの場合、使用されるPt含有量は41.67gです。 Ptの価格は500元/ gで計算され、Ptの使用コストは41.67 * 500 = 20833元です。 Ptのコストは、50万元以上の100kW燃料電池原子炉の総コストの約4％に過ぎません。燃料電池のコストは、主に材料とシステム技術の未熟さによるものです。しかし、商品化の進展に伴い、燃料電池のコストは劇的に下がるに違いありません。

安全と規制

パワーバッテリーの安全性は、電気自動車の開発において考慮され解決される最初の問題です。動的リチウムイオン電池の安全性を向上させるには、材料、電池、主要コンポーネント、システムのセキュリティなど、一連の技術的対策を確立する必要があります。単一バッテリーの大規模かつグループ化された使用により、動的リチウムイオンバッテリーシステムの安全性は新たな課題に直面しています。燃料電池の燃料は水素であり、可燃性で爆発性があるため、安全性が懸念されています。実際、水素はガソリンや天然ガスと同じくらい安全です。

単一セル燃料電池は、リチウムイオンセルよりも安全機能が少なくなっています。システム統合レベルの燃料電池システムは、リチウムイオン電池システムよりも複雑です。可燃性ガス水素を使用することで、水素の漏れ防止設計が追加されます。不十分なプロトン交換膜の濡れの影響を防ぐ必要があるため、内部湿度の変化を監視するために内部抵抗を監視する必要があります。燃料電池とリチウムイオン電池の安全設計を表4に示します。

動的リチウムイオン電池の還元剤と酸化剤は同じデバイスに保管され、わずか1ミクロンの厚さの膜で分離されていますが、燃料電池の還元剤と酸化剤は電池の外側に配置されています。原則として、燃料電池はリチウムイオン電池よりも安全です。一連の安全対策により、両方のバッテリーの安全性は許容範囲内です。

パワーバッテリーの安全性を確保するために、州はパワーバッテリーの安全性と信頼性を確保するために、パワーリチウムイオンバッテリーと燃料電池の一連の基準を策定しました。表5に示すように、燃料電池はリチウムイオン電池よりも規格が少なく、リリース時間が早く、現状への準拠はリチウムイオン電池ほど良くありません。電気自動車の成形試験に対応する仕様、電気自動車の成形試験に対応するGB / t18388-2005仕様、および自動車産業における新エネルギー車製品の成形に必要な規格としての燃料電池車の仕様が緊急に必要とされています。発売予定。

Iii。展望と展望

全体として、燃料電池は、エネルギー密度、寿命、安全性の点でリチウムイオン電池よりも優れています。コストの面では、燃料電池はリチウムイオン電池と競合することはできません。現在、リチウムイオン電池の主要技術は、エネルギー密度向上、安全性、熱管理、システム統合、最適化制御などです。燃料電池の主要技術は、耐久性、コールドスタート、システム統合、最適制御などです。両方の燃料セルとリチウムイオン電池には、改善の余地がたくさんあります。リチウムイオン電池の場合、エネルギー密度をさらに向上させることができれば、サイクル寿命を延ばすことができ、優れた駆動エネルギーにもなります。燃料電池のコストを削減できれば、ガソリン/ディーゼル燃料の代替として真に役立つことができます。エネルギー密度の改善は、基本的な主題分野のボトルネックに直面しており、質的な改善があることは非常にまれです。コスト削減は商品化により解決できます。したがって、短期的には、リチウムイオン電池は燃料電池よりも優れています。長期的には、燃料電池はリチウムイオン電池よりも有望です。

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