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锂电池与燃料电池的发展



  在过去的几十年里都没有真正“冷”过,只是重视的程度不同罢了。它们都是几经沉浮,你方唱罢我方登场,化学电源产业就是这么螺旋似地发展起来的。

  新能源汽车是近些年在国内发展起来的新兴产业,2009年元月科技部、财政部、发改委、工信部联合启动了“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”,标志着新能源汽车产业正式上升为国家战略。2012年,国务院出台了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,规划对节能车、新能源车进行了定义,并确定了实现的路径与目标。该规划明确了我国新能源汽车的发展将以锂离子电池纯电动汽车(LIB-EV)为主要方向。

  最近几年,锂离子电池纯电动汽车在我国已经成为新能源汽车的主流路线,当前我国纯电动汽车动力电池是乘用车以三元动力电池为主而商用车主要采用磷酸铁锂动力电池的基本格局。

  而作为全球电动汽车研发和产业化领头羊的日本,在电动汽车技术路线月,全球第一大汽车公司丰田汽车(Toyota)正式推出了全球首款量产型燃料电池电动汽车Mirai,这款车在日本的售价为723.6万日元(折合人民币38.3万元,补贴售价为27.5万元)。紧跟其后,本田汽车(Honda)也在2015年下半年发布了其新一代燃料电池汽车FCV Clarity。其实早在02014年5月,日本经济产业省就发布了《氢燃料电池车普及促进策略》,从而制定了日本国内氢燃料电池车行业标准。

  之后,日本政府在《实现氢社会政策建言》的议案中,提出了具体的氢燃料电池车普及目标及政策支持方案。此外,日本日产(Nissan)、韩国现代汽车(Hyundai)、美国通用汽车(GM)、德国宝马(BMW)、奔驰(Diemer-Benz)大众(VW)也都在近两年陆续发布了各自的燃料电池电动汽车产业化规划与样车。

  我们可以看到,中国与日本(实际上也包括韩国和欧美主流车企)在纯电动汽车发展方向上选择了不同的技术路线。两田(Toyota和Honda)燃料电池电动汽车量产的消息在国内电动汽车界引发了激烈的讨论并且形成了两种观点,一种观点认为日本汽车界在纯电动汽车上走燃料电池路线是错误(路线错误论),例子就是当前国际上火热的美国Tesla纯电动汽车。而另一种观点则认为,日本发展燃料电池汽车更多的是为了其军工产业服务,并且误导中国电动汽车发展方向(阴谋论)。

  这些不同观点暂且放下,面对Toyota和Honda燃料电池汽车小批量商业化生产的现实,我们当下首先需要认真思考的是为什么中国和日本在发展纯电动汽车方面选择了不同的技术路线?或者说锂离子电池和燃料电池到底哪种动力系统更加合适纯电动汽车?不管是锂离子电池(Li-ion battery, LIB)还是质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC),都是非常专业高深的高科技领域,涉及到多学科的综合。

  笔者对这两种化学电源体系都有相当的了解,本文中笔者将抛开深奥的电化学、固体化学以及电催化方面的科学原理,站在宏观的角度深入浅出地从多个方面对这两种化学电源体系进行分析比较,希望能够在纯电动汽车动力源的问题上给广大读者提供一些不同的视野和角度。

  对这两种动力系统进行比较分析之前,我们首先要认识LIB和PEMFC最本质的特征,这样才能理解这两种化学电源各自的适用领域。从根本上而言,二次电池是一种能量存储装置,通过可逆的电化学反应实现电能的存储和释放。衡量二次电池存储电能能力的基本指标是能量密度(Wh/Kg 或者Wh/L)。

  而燃料电池则是一种电能生产装置,它通过电催化反应将燃料中的化学能转换成电能释放出来。虽然燃料电池也叫“电池”(中文翻译的原因),但是它的基本工作模式却与内燃机有些相似,跟常规二次电池有着本质上的区别。衡量燃料电池电能生产能力的基本指标是功率密度(W/Kg 或者W/L)。

  这两种电化学电源体系工作方式上的本质不同,将直接决定它们在应用层面上的不同定位,笔者在后面将会详细展开讨论。

  在比较分析锂离子电池(LIB)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)在纯电动汽车领域的应用前景之前,我们有必要简单回顾一下两者的发展历程,这样读者就可以对两者有更加直观的认识。如果我们仔细分析过去20年里,欧盟(EU)和美国能源部(DOE)在锂电和燃料电池领域基础研究和产业政策方面的变化,就可以很清楚地看到,锂电和燃料电池其实是一对不折不扣的“欢喜冤家”。

  其实在十九世纪末期,汽车最早就是从电池车发展起来的,铅酸电池车的产量在二十世纪初期达到了顶峰。但是,随着1908年福特创新性地采用流水线批量生产T型车(大幅降低成本),以及1912年汽油车电打火启动的出现(使用更加便捷),则对铅酸电池车造成了致命打击,电动车从此退出了历史舞台。直到上世纪末由于高能化学电源(二次电池和燃料电池)的技术进步,电动汽车才再度引起重视。

  国际上第一轮燃料电池的研究热潮发生在上世纪七十年代,由于美国航天事业的需求而带动了碱性燃料电池(AFC)的实用化,后来GM还制造出了全球首辆AFC燃料电池汽车。由于AFC必须使用纯氧而不能直接利用空气,使得AFC无法应用于民用领域,但是AFC很多技术后来被移植到了PEMFC上。

  上世纪七十年代由于阿以战争导致了两次国际石油危机,不仅对全球政治、经济格局产生了深远的影响,而且也促使西方国家深刻地认识到寻找新型能源的重要性,从而对新型高能化学电源的研究产生了前所未有的巨大推动。正是这一时期,人们在有机电解质、固体电极材料、质子交换膜、电极过程动力学等基础研究方面取得了很大的进展,钠硫电池和锂离子电池正是在这个时期构建了基本原理。

  得益于上世纪八十年代在过渡金属氧化物、石墨嵌锂化合物以及有机电解质领域的研究进展,日本SONY公司在1991年首次将锂离子电池成功地商业化。最初的锂离子电池由于采用热解聚糠醛硬碳负极材料能量密度并不高,自从日本大阪煤气公司在1994年产业化MCMB之后,锂离子电池的性能获得了较大的提升得以迅速占领手机电池市场而飞速发展起来,上世纪末在全球范围内掀起了第一波锂电产业化浪潮。与此对应的是从1995年到2002年国际上第一轮锂电基础研究热潮。锂离子动力电池的研发也在本世纪初开始崭露头角(以法国SAFT为代表),不过当时并没有在全球范围内引起广泛关注。

  美国克林顿政府在1996年拉开了“氢经济”(氢能和燃料电池)的基础研究和产业化的序幕,欧盟紧跟其后。在小布什总统当政的8年时间里,“氢经济”的研究在西方发达国家尤其是美国达到了巅峰状态,而与此对应的正是锂离子电池的基础研究从2002年开始到2007年的这6年里陷入了低谷,当然锂电的产业化还是在快速发展的。第二轮燃料电池研究/产业化浪潮在2007年以后逐渐降温,具体情况笔者在后面章节将会详细讨论。

  自从2008年奥巴马当选美国总统以后,美国政府在电动汽车的战略方向就从氢能和燃料电池转向了锂离子电池,也就是当前国际上的第二轮锂电研究和产业化热潮。这个转变并非DOE心甘情愿,其背后的主要原因是氢气的工业化生产和存储以及燃料电池在技术、成本、寿命等方面还存在诸多技术挑战,这些难题严重阻碍了燃料电池电动汽车的产业化进程。

  日本的新能源研究和产业化政策主要由新能源产业技术开发机构(NEDO)负责制订,与欧美在锂电和燃料电池两个领域 “过山车”不大一样的是,日本过去数十年里在这两个领域支持力度相差并不大,这主要是因为日本在这两个领域都处在全球产业化领先地位,而欧美的锂电产业一直都没发展起来。

  如果我们仔细研读DOE近几年在锂电方面的年度报告(BATT和ABR项目)、欧盟ALISTORE项目以及日本NEDO锂电相关项目就可以看到,与上世纪末成果丰硕的第一轮锂电研究热潮相比,这一轮的锂电基础研究基本上没有取得任何突破性进展,反倒是具有明显的学术“泡沫化”特征(表现在“纳米锂电”和磷酸铁锂两个方面),DOE下一阶段在高能电化学电源领域改变资助方向将是迟早的事情。

  而事实上,美国DOE的技术路线和发展目标一直是我国科技部和工信部制订新能源汽车方面科研和产业化政策的基本参考依据。那么,DOE下一轮关于新型高能化学电源的研究和产业化重点会转移到什么领域?让我们拭目以待。

  其实,了解化学电源发展历史的读者都应该明白,二次电池和燃料电池在过去的几十年里都没有真正“冷”过,只是重视的程度不同罢了。它们都是几经沉浮,你方唱罢我方登场,化学电源产业就是这么螺旋似地发展起来的。

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