锂离子电池与燃料动力电池的主要技术特性

　　性能

　　锂离子电池和燃料动力电池内部发生的化学反应已经决定了电池的可逆电动势。关于一个电化学反应，其可逆电动势可由公式计算为：

　　其中是在标准状态下电化学反应的吉布斯自由能的变化，吉布斯自由能的变化反映了电化学反应在热力学上的可能性，的大小由反应本身的性质、反应物和生成物的浓度以及反应温度决定。n为每摩尔反应物转移的电子摩尔数，F为法拉第常数。在标准状态下燃料动力电池的可逆电动势为1.25V左右，可逆电动势随温度升高而降低。而关于锂离子电池，由于在反应过程中正负极材料的结构不断发生变化，因此其可逆电动势也不断变化，电池的可逆电动势与反应发生的程度有对应的关系，因此可以根据OCV-SOC曲线，通过测量OCV判断电池的荷电状态。燃料动力电池和锂离子电池在实际使用过程中性能曲线如表2所示。

　　能量密度

　　电动汽车完全以电池作为动力，更强调充电后的续驶能力，因而更关注电池的能量密度。锂离子电池能量密度提升受制于电池材料理论瓶颈。目前，国内电动汽动力型动力锂电池正极材料以磷酸铁锂（LFP）为主，负极材料仍重要采用石墨材料，其比能量约为90~140Wh/kg。而燃料动力电池是一种发电装置，能量密度远高于锂离子电池。在与能量密度直接对应的整车续驶里程方面，豪华电动汽车Tesla的续驶里程刚达到500km；而以丰田Mirai、现代ix35为典型代表的燃料动力电池车续驶里程都在500km以上。因此在能量密度方面，燃料动力电池比锂离子电池好。

　　寿命

　　燃料动力电池和锂离子电池的性能都会随着电池使用程度的加深而变差。并且汽车的起停和加减速工况占总工况的很大一部分，这使得电池工作电流区间跨度大，且电流变化率也非常大，这无疑会缩短电池寿命。因此，对动力型燃料动力电池和锂离子电池的寿命问题进行研究成为其使用关键问题之一。

　　成本

　　目前，国内锂离子电池系统的成本在1800元/kWh左右，燃料动力电池堆（不含系统中的燃料系统等各种附件）的成本在5000元/kW左右。关于一辆普通轿车，假设是电动汽车，电量配置60kWh（BYDE6配置60kWh）其成本在9.6万元。假如是燃料动力电池车，功率配置100kW(丰田Mirai配置114kWh)，电堆成本在50万左右。

　　燃料动力电池的成本目前明显高于锂离子电池，这是限制燃料动力电池发展的瓶颈。一般认为，燃料动力电池的成本偏高重要是由于使用了贵金属Pt，而实际Pt的成本计算如下：目前较高的Pt载量的水平为：0.4mg/cm2，其电性能水平为[email protected]/cm2，即0.96W/cm2。关于100kW的燃料动力电池系统中使用的Pt含量为41.67g。Pt的价格按照500元/g计算，使用的Pt的成本为41.67*500=20833元。关于100kW的燃料动力电池堆的成本在50万元以上，Pt的成本只占总成本的4%左右。燃料动力电池的成本重要是因为目前材料和系统的工艺都不太成熟，而随着商业化的发展，其成本必然有非常大幅度下降。

　　安全性与相关法规

　　动力锂电池的安全性是电动汽车发展过程中首先要考虑和解决的问题。动力型锂离子电池安全性的提高要建立从材料、电池及关键部件到系统安全保障等一系列技术措施。随着单体电池的大型化和成组化使用，动力型锂离子电池系统安全问题面对着新的挑战。而燃料动力电池的燃料是氢气，属于易燃易爆气体，因此市场普遍担心其的安全性问题，而实际上氢气的安全性相较于汽油和天然气并不差。

　　单体层级燃料动力电池的安全设计少于锂离子电池。系统集成层级燃料动力电池系统比锂离子电池系统复杂。由于使用了可燃气体氢气，多了对氢气的泄露保护设计。由于要防止质子交换膜润湿不充分带来的影响，要通过监控内阻来监控内部湿度的变化。燃料动力电池和锂离子电池相关安全性设计如表4所示。

　　动力型锂离子电池的还原剂和氧化剂都存储在同一个装置中，之间仅有一层微米级别厚度的隔膜，而燃料动力电池的还原剂和氧化剂在电池外部分开放置。从原理上讲，燃料动力电池的安全性优于锂离子电池。通过一系列的安全防护，两种电池的安全性都在可接受的程度。

　　为了保证动力锂电池的安全性，国家针对动力型锂离子电池和燃料动力电池制定了一系列的标准，从而确保动力锂电池的安全性、可靠性。如表5所示，燃料动力电池相对锂离子电池的标准偏少，发行时间早，标准与现状符合性不如锂离子电池。电动汽车有对应的定型试验规程《GB/T18388-2005电动汽车定型试验规程》，而燃料动力电池车定型规程作为汽车行业关于新能源汽车产品定型的一个必备标准急待推出。