Vergleich dynamischer Lithium-Ionen-Batterien mit Brennstoffzellen

Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Wirtschaft nimmt der weltweite Autobesitz zu. Der hohe Kraftstoffverbrauch verschärft die Energiekrise immer mehr, und die Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen verschärfen die Umweltverschmutzung. Daher konzentrieren sich in den letzten Jahren viele Automobilunternehmen auf die Erforschung neuer Energiefahrzeuge und versuchen, den Einsatz von Verbrennungsmotoren zu ersetzen. Die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge wird immer schneller. Von Tesla vertretene Elektrofahrzeuge erfreuen sich großer Beliebtheit, während von Toyota Mirai vertretene Brennstoffzellenfahrzeuge in letzter Zeit ebenfalls große Aufmerksamkeit erregt haben. Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen spielen als Kernbestandteile von Elektrofahrzeugen und Brennstoffzellenfahrzeugen eine entscheidende Rolle bei ihrer Entwicklung.

Dynamische Lithium-Ionen-Batterien wurden bis zu einem gewissen Grad kommerzialisiert. Im Jahr 2016 beliefen sich die Lieferungen von Haushaltsbatterien auf 28 GWh, die Lithiumeisenphosphatbatterie war immer noch der Hauptmarktanteil von 20 GWh, die ternäre Materialbatterie betrug nur 6,3 GWh, die anderen waren Lithiummanganat, Lithiumtitanat, Nimhbatterie, Superkondensator und andere Materialbatterien. Die Zahl der inländischen hersteller von lithiumbatterien wird voraussichtlich bei rund 150 liegen, und die drei größten Sendungen sind byd, CATL und watma. Brennstoffzellen sind noch nicht im Handel erhältlich. Nur wenige verwandte Unternehmen wie Beijing Ehuatong, Xinyuan Power, Saic Motor und Wuhan Institute of Technology sind beteiligt.

Im Folgenden werden die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen unter den Gesichtspunkten Funktionsprinzip, Leistung und Sicherheit vorgestellt, um unser Verständnis und Verständnis zu vertiefen.

Erstens das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterie und Brennstoffzelle

lithium-ionen-akku ist eine Art Energiespeicher. Die üblicherweise verwendete Lithium-Ionen-Batterie kann gemäß den positiven Elektrodenmaterialien in Lithium-Eisenphosphat (LFP) -Batterie, Terncm-Batterie und Lithium-Manganat (LMO) -Batterie unterteilt werden. Nehmen Sie als Beispiel die Lithiumeisenphosphatbatterie: Beim Entladen bilden Eisenphosphat in der positiven Elektrode und Lithiumionen, die von der negativen Elektrode durch den Elektrolyten übertragen werden, und Elektronen, die vom externen Stromkreis übertragen werden, zusammen Lithiumeisenphosphat. In die Graphitschicht der negativen Elektrode eingebettetes Lithium entlädt sich und wird zu Lithiumionen und Elektronen, die über den Elektrolyten bzw. den externen Stromkreis auf die positive Elektrode übertragen werden.

Die Brennstoffzelle ist im Wesentlichen ein Generator, dessen Brennstoff und Oxidationsmittel durch elektrochemische Reaktion ohne Verbrennung in Elektrizität umgewandelt werden. Daher sind Brennstoffzellen nicht durch den Carnot-Zyklus begrenzt, und die Energieumwandlungseffizienz ist hoch. Brennstoffzellen können als Energieumwandlungseinheit bis zu 60 Prozent und als Kraft-Wärme-Kopplungs-Einheit bis zu 80 Prozent effizient sein. Brennstoffzellen werden entsprechend ihrer Elektrolyte in basische Brennstoffzellen (AFC), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), geschmolzene Carbonat-Brennstoffzellen (MCFC) und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) unterteilt. Von diesem Typ sind verschiedene Arten von Anwendungsgebieten für Brennstoffzellen in verschiedenen Umgebungen und die Verwendung des Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellentemperaturbereichs für die Raumtemperatur bis etwa 80 ° C, derzeit im Brennstoffzellenauto unter Verwendung von Basic. In einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (pemfc) werden beispielsweise bei der Stromerzeugung der positive Sauerstoff und das Wasserstoffion aus der negativen Elektrode und die Elektronen aus dem externen Kreislauf zu Wasser kombiniert, und das negative Wasserstoffatom verliert Elektronen und wird zu Wasserstoffionen und Elektronen werden durch den Elektrolyten bzw. den externen Stromkreis auf die positive Elektrode übertragen.

Ii. Technische Hauptmerkmale von Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen

Performance

Die reversible elektromotorische Kraft einer Lithium-Ionen-Batterie wird durch die chemischen Reaktionen bestimmt, die in der Brennstoffzelle auftreten. Für eine elektrochemische Reaktion kann ihre reversible EMK nach folgender Formel berechnet werden:

Die Änderung der freien Energie der elektrochemischen Reaktion im Standardzustand spiegelt die thermodynamische Möglichkeit der elektrochemischen Reaktion wider, die durch die Art der Reaktion selbst, die Konzentration der Reaktanten und Produkte und die Reaktionstemperatur bestimmt wird. N ist die Anzahl der pro Mol Reaktanten übertragenen Elektronen, F ist die Faradaysche Konstante. Unter Standardbedingungen beträgt die reversible EMK der Brennstoffzelle etwa 1,25 V. Bei Lithium-Ionen-Batterien ändert sich die reversible elektromotorische Kraft aufgrund der ständigen Änderung der Struktur positiver und negativer Elektrodenmaterialien während des Reaktionsprozesses ständig. Die reversible elektromotorische Kraft der Batterie hat eine entsprechende Beziehung zum Reaktionsgrad. Daher kann der Ladezustand der Batterie durch Messen des OCV gemäß der OCV-Soc-Kurve beurteilt werden. Die Leistungskurven der tatsächlich verwendeten Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Die Energiedichte

Elektroautos werden ausschließlich mit Batterien betrieben, wobei der Schwerpunkt mehr auf der Fähigkeit liegt, nach dem Laden weiterzufahren, wodurch der Energiedichte der Batterie mehr Aufmerksamkeit geschenkt wird. Die Verbesserung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ist durch den theoretischen Engpass bei Batteriematerialien begrenzt. Gegenwärtig ist Lithiumeisenphosphat (LFP) das wichtigste positive Elektrodenmaterial für elektrische Dampfbatterien im Haushalt, während Graphit immer noch das wichtigste negative Elektrodenmaterial ist, dessen spezifische Energie etwa 90 bis 140 Wh / kg beträgt. Brennstoffzellen hingegen sind Stromerzeugungsgeräte mit weitaus höheren Energiedichten als Lithium-Ionen-Batterien. In Bezug auf die Reichweite des gesamten Fahrzeugs, die direkt der Energiedichte entspricht, hat die Reichweite von Tesla, dem Top-Luxus-Elektroauto, gerade 500 km erreicht. Die typischen Brennstoffzellenfahrzeuge von Toyota Mirai und Hyundai ix35 haben alle eine kontinuierliche Reichweite von über 500 km. Brennstoffzellen haben also eine bessere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien.

Leben

Die Leistung sowohl von Brennstoffzellen als auch von Lithium-Ionen-Batterien verschlechtert sich mit zunehmender Batterielebensdauer. Darüber hinaus machen die Start- und Stopp-, Beschleunigungs- und Verzögerungsbedingungen des Fahrzeugs einen großen Teil der gesamten Arbeitsbedingungen aus, wodurch der Bereich des Arbeitsstroms der Batterie breit und die Stromänderungsrate sehr groß wird, was sich zweifellos verkürzen wird die akkulaufzeit. Daher ist es eines der Hauptprobleme, die Lebensdauer von Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen.

Die Kosten von

Gegenwärtig betragen die Kosten für ein inländisches Lithium-Ionen-Batteriesystem etwa 1800 Yuan / kWh, und die Kosten für den Brennstoffzellenstapel (ohne Brennstoffsystem und anderes Zubehör im System) betragen etwa 5000 Yuan / kW. Nehmen wir an, es handelt sich bei einem normalen Auto um ein Elektroauto mit einer Leistungskonfiguration von 60 kWh (BYDE6-Konfiguration von 60 kWh). Die Kosten betragen 96.000 Yuan. Wenn es sich um ein Brennstoffzellenauto handelt, beträgt die Leistungskonfiguration 100 kW (die Toyota Mirai-Konfiguration beträgt 114 kWh), und die Kosten für den elektrischen Reaktor betragen rund 500.000 Yuan.

Die Kosten für Brennstoffzellen sind viel höher als für Lithium-Ionen-Batterien, was den Engpass bei der Entwicklung von Brennstoffzellen darstellt. Es wird allgemein angenommen, dass die hohen Kosten von Brennstoffzellen hauptsächlich auf die Verwendung von Edelmetall Pt zurückzuführen sind, aber die tatsächlichen Kosten von Pt werden wie folgt berechnet: Das derzeitige Niveau einer höheren Pt-Belastung beträgt 0,4 mg / cm² und seine elektrische Leistung Der Pegel beträgt 1600 Ma @ 0,6 V / cm 2, dh 0,96 W / cm 2. Für ein 100-kW-Brennstoffzellensystem wird ein Pt-Gehalt von 41,67 g verwendet. Der Preis für Pt wird nach 500 Yuan / g berechnet, und die Kosten für die Verwendung von Pt betragen 41,67 * 500 = 20833 Yuan. Die Kosten für Pt betragen nur etwa 4% der Gesamtkosten eines 100-kW-Brennstoffzellenreaktors, der mehr als 500.000 Yuan kostet. Die Kosten für Brennstoffzellen sind hauptsächlich auf die Unreife von Materialien und Systemtechnologien zurückzuführen. Mit der Entwicklung der Kommerzialisierung werden die Kosten für Brennstoffzellen jedoch dramatisch sinken.

Sicherheit und Vorschriften

Die Sicherheit der Leistungsbatterie ist das erste Problem, das bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen berücksichtigt und gelöst wird. Um die Sicherheit dynamischer Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, sollten eine Reihe technischer Maßnahmen festgelegt werden, darunter Material, Batterie und Schlüsselkomponenten, Systemsicherheit usw. Mit der Verwendung von Einzelbatterien in großem Maßstab und in Gruppen steht die Sicherheit eines dynamischen Lithium-Ionen-Batteriesystems vor neuen Herausforderungen. Der Brennstoff für Brennstoffzellen ist Wasserstoff, der brennbar und explosiv ist, weshalb die Sicherheit weit verbreitet ist. In der Tat ist Wasserstoff nicht weniger sicher als Benzin und Erdgas.

Einzelzellen-Brennstoffzellen weisen weniger Sicherheitsmerkmale auf als Lithium-Ionen-Zellen. Das Brennstoffzellensystem auf Systemintegrationsniveau ist komplexer als das Lithium-Ionen-Batteriesystem. Durch die Verwendung von brennbarem Gas Wasserstoff gibt es ein zusätzliches Auslaufschutzdesign für Wasserstoff. Aufgrund der Notwendigkeit, den Einfluss einer unzureichenden Benetzung der Protonenaustauschmembran zu verhindern, ist es notwendig, den Innenwiderstand zu überwachen, um die Änderungen der inneren Feuchtigkeit zu überwachen. Das Sicherheitsdesign von Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien ist in Tabelle 4 dargestellt.

Das Reduktionsmittel und das Oxidationsmittel der dynamischen Lithium-Ionen-Batterie werden in derselben Vorrichtung gespeichert, die durch eine nur einen Mikrometer dicke Membran getrennt ist, während das Reduktionsmittel und das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle außerhalb der Batterie angeordnet sind. Brennstoffzellen sind grundsätzlich sicherer als Lithium-Ionen-Zellen. Durch eine Reihe von Sicherheitsvorkehrungen ist die Sicherheit beider Batterien akzeptabel.

Um die Sicherheit von Power-Batterien zu gewährleisten, hat der Staat eine Reihe von Standards für Power-Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen formuliert, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Power-Batterien zu gewährleisten. Wie in Tabelle 5 gezeigt, haben Brennstoffzellen mit früherer Freisetzungszeit weniger Standards als Lithium-Ionen-Batterien, und ihre Übereinstimmung mit dem Status Quo ist nicht so gut wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Es gibt eine entsprechende Spezifikation für die Formprüfung von Elektrofahrzeugen, die GB / t18388-2005-Spezifikation für die Formprüfung von Elektrofahrzeugen und die Spezifikation für Brennstoffzellenfahrzeuge als notwendigen Standard für die Formgebung neuer Energiefahrzeugprodukte in der Automobilindustrie, die dringend benötigt werden gestartet werden.

Iii. Perspektiven und Perspektiven

Insgesamt sind Brennstoffzellen Lithium-Ionen-Batterien in Bezug auf Energiedichte, Lebensdauer und Sicherheit überlegen. In Bezug auf die Kosten können Brennstoffzellen nicht mit Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren. Gegenwärtig sind die Schlüsseltechnologien für Lithium-Ionen-Batterien die Verbesserung der Energiedichte, Sicherheit, Wärmemanagement, Systemintegration und Optimierungssteuerung usw. Die Schlüsseltechnologien für Brennstoffzellen sind Haltbarkeit, Kaltstart, Systemintegration und optimale Steuerung usw. Beide Brennstoffe Zellen und Lithium-Ionen-Batterien bieten viel Raum für Verbesserungen. Wenn bei Lithium-Ionen-Batterien die Energiedichte weiter verbessert werden kann, die Lebensdauer länger sein kann, ist dies auch eine hervorragende Antriebsenergie. Wenn die Kosten für Brennstoffzellen gesenkt werden können, können sie wirklich als Alternative zu Benzin / Diesel dienen. Die Verbesserung der Energiedichte ist mit dem Engpass des grundlegenden Fachgebiets konfrontiert, und es ist sehr selten, dass eine qualitative Verbesserung erzielt wird. Die Kostenreduzierung kann durch Kommerzialisierung gelöst werden. Kurzfristig sind Lithium-Ionen-Batterien also besser als Brennstoffzellen. Brennstoffzellen sind langfristig vielversprechender als Lithium-Ionen-Batterien.

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