Die spiralförmige Entwicklung und Entwicklung von Lithiumbatterien und Brennstoffzellen

Wenn wir die Veränderungen in der Grundlagenforschung und Industriepolitik der Europäischen Union (EU) und des US-Energieministeriums (DOE) im Bereich Lithium und Brennstoffzellen in den letzten 20 Jahren sorgfältig analysieren, ist deutlich zu erkennen, dass Lithium Batterien und Brennstoffzellen sind eigentlich eine "glückliche Familie". Tatsächlich waren Lithiumbatterien und Brennstoffzellen in den letzten Jahrzehnten nicht wirklich "kalt", aber der Grad der Aufmerksamkeit ist unterschiedlich. Sie sind alle Höhen und Tiefen, und Sie singen zu unserer Seite, die chemische Energieindustrie ist so spiralförmig entwickelt. Dieser Artikel befasst sich mit der Entwicklung von Lithiumbatterien und Brennstoffzellen. Lassen Sie uns diskutieren: Warum wählen China und Japan unterschiedliche technische Wege bei der Entwicklung reiner Elektrofahrzeuge? Oder welche Art von Stromversorgungssystem ist für reine Elektrofahrzeuge besser geeignet?

Neue Energiefahrzeuge sind aufstrebende Industrien, die in den letzten Jahren in China entwickelt wurden. Im Januar 2009 starteten das Ministerium für Wissenschaft und Technologie, das Finanzministerium, die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission und das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie gemeinsam die „Zehntausende von Demonstrations- und Anwendungsprojekten für energiesparende und neue Energiefahrzeuge“. Markieren der neuen Die Energie-Autoindustrie stieg offiziell zu einer nationalen Strategie auf.

2012 gab der Staatsrat den „Entwicklungsplan für die Energieeinsparung und die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge (2012-2020)“ heraus, in dem die Definition von energiesparenden Fahrzeugen und neuen Energiefahrzeugen festgelegt und der Weg und die Ziele der Realisierung festgelegt wurden. Der Plan stellt klar, dass sich die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge in China auf reine Lithium-Ionen-Batterie-Elektrofahrzeuge (LIB-EV) konzentrieren wird.

In den letzten Jahren haben sich reine Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien zum Hauptweg für neue Energiefahrzeuge in China entwickelt. Gegenwärtig sind Chinas reine Elektrofahrzeuge im Wesentlichen Personenkraftwagen mit ternären Batterien, während Nutzfahrzeuge hauptsächlich das Entwicklungsmuster von lithiumeisenphosphat-Batterien verwenden.

Japan, das weltweit führend in der Entwicklung und Industrialisierung von Elektrofahrzeugen ist, widerspricht China auf dem Weg der Elektrofahrzeugtechnologie. Im Dezember 2014 startete Toyota, das weltweit größte Automobilunternehmen, offiziell Mirai, das weltweit erste Serien-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug. Der Preis für dieses Auto in Japan betrug 7,236 Millionen Yen (entspricht 383.000 RMB). Der Subventionspreis beträgt 275.000 Yuan. Im Anschluss daran veröffentlichte Honda in der zweiten Jahreshälfte 2015 auch das Brennstoffzellenfahrzeug FCV Clarity der neuen Generation. Bereits im Mai 2014 gab das japanische Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie die „Förderstrategie zur Förderung von Wasserstoff“ heraus Brennstoffzellenfahrzeuge “, mit denen der inländische Industriestandard für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge festgelegt wurde. Anschließend schlug die japanische Regierung in der „Umsetzung der Empfehlungen zur hydrosozialen Politik“ spezifische Ziele für Fahrzeuge mit Wasserstoffbrennstoffzellen und Programme zur Unterstützung der Politik vor. Darüber hinaus haben Japans Nissan, Hyundai, General Motors (GM), BMW und Volkswagen (VW) in den letzten zwei Jahren ihre eigenen Industrialisierungspläne für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge veröffentlicht. .

Wir können sehen, dass China und Japan (einschließlich der koreanischen und europäischen Mainstream-Automobilhersteller) unterschiedliche technische Routen in der Entwicklungsrichtung von reinen Elektrofahrzeugen gewählt haben. Die Nachricht von der Massenproduktion von Brennstoffzellen für zwei Bereiche (Toyota und Honda) löste heftige Diskussionen in der heimischen Elektrofahrzeugindustrie aus und bildete zwei Perspektiven:

Eine Ansicht ist, dass die japanische Autoindustrie falsch darin ist, Brennstoffzellenrouten mit reinen Elektrofahrzeugen zu fahren (Routenfehlertheorie). Das Beispiel ist das derzeit heiße internationale Tesla-Elektrofahrzeug in den USA. Ein weiterer Gesichtspunkt ist, dass Japans Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen eher für die Militärindustrie bestimmt ist und die Richtung der chinesischen Elektrofahrzeuge irreführt (Verschwörungstheorie).

Diese unterschiedlichen Standpunkte werden vorübergehend niedergelegt. Angesichts der Realität der kommerziellen Produktion von Brennstoffzellenfahrzeugen von Toyota und Honda in kleinem Maßstab müssen wir uns zunächst ernsthaft überlegen, warum China und Japan bei der Entwicklung reiner Elektrofahrzeuge unterschiedliche technische Wege gewählt haben. Oder welche Art von Stromversorgung eignet sich besser für reine Elektrofahrzeuge?

Ob es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ionen-Batterie, LIB) oder eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, PEMFC) handelt, es handelt sich um ein hochspezialisiertes High-Tech-Gebiet mit multidisziplinärer Integration. Der Autor hat ein ziemlich gutes Verständnis dieser beiden chemischen Energiesysteme. In diesem Artikel wird der Autor die tiefgreifenden wissenschaftlichen Prinzipien der Elektrochemie, Festkörperchemie und Elektrokatalyse aufgeben und auf dem makroskopischen Standpunkt stehen. Das chemische Energiesystem wird analysiert und verglichen, und es besteht die Hoffnung, dass die Leser verschiedene Perspektiven und Blickwinkel zum Thema der reinen Stromquelle für Elektrofahrzeuge bieten können.

Bevor wir die beiden Stromversorgungssysteme vergleichen, müssen wir zunächst die wichtigsten Eigenschaften von LIB und PEMFC verstehen, um die jeweils anwendbaren Bereiche dieser beiden chemischen Energiequellen zu verstehen.

Grundsätzlich ist eine Sekundärbatterie ein energiespeicher, der elektrische Energie durch eine reversible elektrochemische Reaktion speichert und abgibt. Das grundlegende Maß für die Fähigkeit einer Sekundärbatterie, elektrische Energie zu speichern, ist die Energiedichte (WH / kg oder WH / L). Die Brennstoffzelle ist eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung, die chemische Energie im Brennstoff durch elektrokatalytische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Obwohl die Brennstoffzelle auch als "Batterie" bezeichnet wird (der Grund für die chinesische Übersetzung), ähnelt ihr grundlegender Arbeitsmodus dem eines Verbrennungsmotors, der sich wesentlich von einer herkömmlichen Sekundärbatterie unterscheidet. Das grundlegende Maß für die Stromerzeugungskapazität von Brennstoffzellen ist die Leistungsdichte (W / kg oder W / L). Die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden elektrochemischen Stromversorgungssysteme bestimmen direkt ihre unterschiedliche Positionierung auf Anwendungsebene, auf die ich später noch näher eingehen werde.

Forschung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen

Bevor die Anwendungsaussichten von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) im Bereich reiner Elektrofahrzeuge verglichen und analysiert werden, muss die Entwicklung der beiden kurz besprochen werden, damit die Leser ein intuitiveres Bewusstsein erhalten . Wenn wir die Veränderungen in der Grundlagenforschung und Industriepolitik der Europäischen Union (EU) und des US-Energieministeriums (DOE) im Bereich Lithium und Brennstoffzellen in den letzten 20 Jahren sorgfältig analysieren, ist deutlich zu erkennen, dass Lithium Batterien und Brennstoffzellen sind eigentlich eine "glückliche Familie".

Tatsächlich wurden Autos Ende des 19. Jahrhunderts erstmals aus Batteriefahrzeugen entwickelt. Die Produktion von Blei-Säure-Batterie-Autos erreichte Anfang des 20. Jahrhunderts ihren Höhepunkt. Mit der innovativen Nutzung der Produktionslinie zur Herstellung des T-Wagens im Jahr 1908 (was die Kosten erheblich senkte) und dem Aufkommen der elektrischen Zündung des Benzinautos im Jahr 1912 (bequemere Verwendung) verursachte dies jedoch einen tödlichen Schlag das Blei-Säure-Batterie-Auto. Das Elektroauto hat sich inzwischen von der historischen Bühne zurückgezogen. Bis zum Ende des letzten Jahrhunderts haben Elektrofahrzeuge aufgrund des technologischen Fortschritts bei hochenergetischen chemischen Energiequellen (Sekundärbatterien und Brennstoffzellen) erneut Aufmerksamkeit erhalten. Die internationale erste Forschungsrunde zu Brennstoffzellen fand in den 1970er Jahren statt. Aufgrund der Nachfrage der US-Raumfahrtindustrie wurde der Einsatz von alkalischen Brennstoffzellen (AFC) gefördert. Später produzierte GM auch das weltweit erste AFC-Brennstoffzellenauto. Da AFC reinen Sauerstoff verwenden muss und keine Luft direkt verwenden kann, kann AFC nicht im zivilen Bereich verwendet werden, aber viele AFC-Technologien wurden später auf PEMFC übertragen.

In den 1970er Jahren hatten die beiden durch den arabisch-israelischen Krieg verursachten internationalen Ölkrisen nicht nur tiefgreifende Auswirkungen auf die globale politische und wirtschaftliche Struktur, sondern veranlassten auch die westlichen Länder, die Bedeutung der Suche nach neuen Energiequellen und damit des neuen Hochs zutiefst anzuerkennen Energie. Das Studium der chemischen Kraft hat einen beispiellosen Schub hervorgebracht. In dieser Zeit haben die Menschen große Fortschritte in der Grundlagenforschung zu organischen Elektrolyten, festen Elektrodenmaterialien, Protonenaustauschmembranen und der Kinetik von Elektrodenprozessen erzielt. Die Natrium-Schwefel-Batterie und die Lithium-Ionen-Batterie sind die Grundprinzipien dieser Zeit. .

Dank des Forschungsfortschritts auf dem Gebiet der Übergangsmetalloxide, Graphit-Lithium-Interkalationsverbindungen und organischen Elektrolyten in den 1980er Jahren hat die japanische SONY Corporation 1991 erstmals erfolgreich Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt gebracht. Die ursprüngliche Lithium-Ionen-Batterie weist eine niedrige Energiedichte auf aufgrund der Verwendung von pyrolysiertem Polyacetal-Hartkohlenstoffanodenmaterial. Seit die Osaka City Gas Company 1994 MCMB industrialisiert hat, wurde die Leistung des lithium-ionen-akkus erheblich verbessert, um den akku des Mobiltelefons schnell zu belegen. Der Markt entwickelte sich rasant und Ende des letzten Jahrhunderts wurde weltweit die erste Welle der Industrialisierung von Lithiumbatterien eingeleitet. Dem entspricht die erste Runde der internationalen Lithiumbatterieforschung von 1995 bis 2002. Die Entwicklung von Lithiumionenbatterien begann ebenfalls zu Beginn dieses Jahrhunderts (vertreten durch die französische SAFT), erregte jedoch keine breite Aufmerksamkeit auf der ganzen Welt.

1996 eröffnete die Clinton-Regierung der Vereinigten Staaten den Auftakt zur Grundlagenforschung und Industrialisierung der "Wasserstoffwirtschaft" (Wasserstoff-Energie- und Brennstoffzellen), gefolgt von der EU. In den acht Jahren der Amtszeit von Präsident Bush erreichte die Forschung zur „Wasserstoffwirtschaft“ in den westlichen Industrieländern, insbesondere in den Vereinigten Staaten, ihren Höhepunkt. Dies ist die Grundlagenforschung zu Lithium-Ionen-Batterien von 2002 bis 2007. In den letzten sechs Jahren es ist in einen Trog gefallen. Natürlich entwickelt sich die Industrialisierung von Lithiumbatterien immer noch rasant.

Die zweite Runde der Brennstoffzellenforschung / Industrialisierungswelle hat sich nach 2007 allmählich abgekühlt. Die Details werden in späteren Kapiteln ausführlich erörtert. Seit Obama 2008 zum Präsidenten der Vereinigten Staaten gewählt wurde, hat die US-Regierung von Wasserstoff und Brennstoffzellen zu Lithium-Ionen-Batterien in die strategische Richtung von Elektrofahrzeugen gewechselt. Dies ist die zweite Runde der Lithiumbatterie-Forschung und -Industrialisierung in der Welt. Diese Änderung ist nicht die Bereitschaft von DOE. Der Hauptgrund dafür ist die industrielle Produktion und Speicherung von Wasserstoff und die technischen Herausforderungen von Brennstoffzellen in Bezug auf Technologie, Kosten und Langlebigkeit. Diese Probleme haben die Industrialisierung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen ernsthaft behindert.

Japans neue Energieforschungs- und Industrialisierungspolitik wird hauptsächlich von der New Energy Industry Technology Development Agency (NEDO) formuliert. Im Gegensatz zur Achterbahnfahrt mit Lithium- und Brennstoffzellen in den USA und in Europa war Japan in den letzten Jahrzehnten bei seiner Unterstützung nicht weit zurückgeblieben. Es gibt keinen großen Unterschied in der Unterstützung zwischen den beiden Bereichen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Japan in beiden Bereichen eine führende Position in der globalen Industrialisierung einnimmt und sich die Lithiumbatterieindustrie in Europa und den USA nicht entwickelt hat.

Wenn wir die Jahresberichte des DOE über Lithiumbatterien (BATT- und ABR-Projekte), das EU-ALISTORE-Projekt und die NEDO-Lithiumprojekte in Japan sorgfältig studieren, können wir dies im Vergleich zu dem fruchtbaren Forschungsboom für Lithiumbatterien in der ersten Runde am Ende des letzten Jahrhunderts, Diese Runde der lithiumbasierten Grundlagenforschung hat im Grunde keine bahnbrechenden Fortschritte erzielt, weist jedoch offensichtliche akademische "Schaum" -Eigenschaften auf (ausgedrückt in "Nano-Lithium" und Lithium-Eisenphosphat), der nächsten Stufe des DOE in Hochenergie Eine Änderung der Finanzierungsrichtung im Bereich der chemischen Energie wird eine Frage der Zeit sein. Tatsächlich waren die technischen Routen- und Entwicklungsziele des US-amerikanischen DOE immer die grundlegende Referenz für das Ministerium für Wissenschaft und Technologie und das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie, um Forschungs- und Industrialisierungsstrategien für neue Energiefahrzeuge zu formulieren. Was ist die nächste Runde der DOE-Forschung und Industrialisierung neuer hochenergetischer chemischer Energiequellen? Lass uns abwarten und sehen.

In der Tat sollten Leser, die die Geschichte der Entwicklung chemischer Energie verstehen, verstehen, dass Sekundärbatterien und Brennstoffzellen in den letzten Jahrzehnten nicht wirklich "kalt" waren, aber der Grad der Aufmerksamkeit ist unterschiedlich. Sie haben Höhen und Tiefen durchgemacht, und so begann die chemische Energieindustrie.

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