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氢燃料动力锂离子电池和锂离子电池未来前景及优缺点比较平板

发布时间:2022-10-10 00:08:19 来源:东乐机械网

氢燃料动力锂离子电池和锂离子电池未来前景及优缺点比较

你了解为何这个国家正在推广氢燃料动力锂电池吗?假如我们没有锂离子电池,为何我们要氢燃料动力锂电池呢?哪一个更好?其中哪一个可能是未来的权力方向?

氢燃料动力锂电池和锂离子电池分析

近几十年来,尽管各国大力推广电动汽车,但电动汽车的比例仍然很低,不到1%。其核心是过去所有的电动汽车都违背了提高功率密度的重要逻辑。即使是最新一代的锂离子汽车,其能量密度低至汽油的1/40,也慢了10倍。但是燃料动力锂电池的出现从根本上改变了这一点。以氢气为原料,底座的能量密度是汽油的3倍,发动机的功功率是内燃机的2倍,实际密度是汽油的6倍,具有明显的优点。,从一百年人类昨天包的动态演化,其实质是烃的历史比调整,氢含量越高,能量密度越高,未来动力转向氢从碳是时代的潮流,所以选择氢燃料动力锂电池更能代表历史的方向进行之前,的根底有望成为下一代的能力。

汽车的功能包括续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料动力锂电池的能量密度远远高于锂离子电池,而相应的电池容量、快速充电能力和续航里程都具有天然的优点,甚至可以与拥有锂离子电池的顶端豪华车特斯拉相比。但其功率密度不高,最大输出功率取决于辅助动力锂离子电池系统,相应的最高速度和100km加速目标与锂离子电池并无不同。为了便于比较,我们选择当前主流的2L排量汽油车、相应的45度锂离子电池车和输出功率为100KW的燃料动力锂电池车作为分析基准。

低温磷酸铁锂电池3.2V 20A
-20℃充电,-40℃ 3C放电容量≥70%

充电温度:-20~45℃
-放电温度:-40~+55℃
-40℃支持最大放电倍率:3C
-40℃ 3C放电容量保持率≥70%

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能量密度比较

锂离子电池作为电池的一种,是一个封闭的系统。电池只是一个能量载体,所以必须提前充电才能运行。它的能量密度取决于电极数据的能量密度。由于负数据的能量密度远高于正数据的能量密度,提高能量密度要正数据的不断发展,如铅酸、镍、锂离子电池等。但是锂现在是金属元素中最小的原子。一个更好的正极理论上要一个纯锂电极,但它的能量密度只有汽油的四分之一。因此,锂离子电池能量密度的提高受到理论瓶颈的限制,空间十分有限。从目前的160Wh/KG到300Wh/KG,最多也就是燃料动力锂电池的1/120,而燃料动力锂电池在起跑线上就已经丢失了。

体积能密度比较

氢燃料动力锂电池的重要缺点是它的能量密度不高。在目前700个大气压的压力模型下,按体积计算的能量密度是汽油的三分之一。还可运行300公里,燃料动力锂电池储氢罐容积为100L,元件为30KG,相应的汽油罐容积为30L,但电动机的容积比内燃机的80L,总体容积差异不大。锂离子电池汽车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术道路,代表公司为特斯拉和比亚迪。三元能量密度较高,但安全性较差,要辅助安全维护设备,两种电池之间的距离要运行300公里是140L和220L,组件是0.4吨和0.6吨,远远高于燃料动力锂电池。展望未来,假如储氢合金和低温液氢储存技术能够突破,燃料动力锂电池体积能量密度将分别新增1.5倍和2倍,优点将更加明显。

功率密度比较

低温高能量密度18650 3350mAh
-40℃ 0.5C放电容量≥60%

充电温度:0~45℃
放电温度:-40~+55℃
比能量:240Wh/kg
-40℃放电容量保持率:0.5C放电容量≥60%

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燃料动力锂电池本质上可以理解为一种以氢为基础的化学发电系统,因此输出功率相对稳定。为了最大限度地提高放电功率,必须新增电源电池系统。例如,丰田Mirai是一款配套的镍氢电池。然而,作为一个开放的电力系统,其能量来源于外部输入。附加的镍氢电池不要考虑储能问题。可满足5-8度的需求。虽然锂离子电池的理论放电功率很高,但是为了不损害电池的使用寿命,有很多限制。在充分充电的情况下不能有大的放电率,快速放电仅适用于0-80%的范围。即便如此,当电池以5C的速度放电时,实验室的电池周期寿命将缩短至600倍,在实际工作条件下进一步缩短至400倍。例如,即使Telsa的最大功率可以达到310KW,但实际的放电率只有4C。此外,锂离子电池是一种低能量密度的关机储能系统,除非电池包件大幅新增,否则很难与高功率放电和高量程基极兼容。即使特斯拉选择了能量密度最高的最佳三元电池,其电池包件的重量也接近半吨。

安全的比较

除了上述目标,汽车安全无疑也是非常关键的。锂离子电池是一个封闭的能源系统,由于其高能量密度和安全性,在原理上很难操作,否则就相当于一颗炸弹。所以现在在主流工艺道路上,磷酸铁锂具有较低的能量密度,具有较好的安全性,电池温度在开始分异前达到500-600度,基础不要太多的维护辅助设备。ternalsTelsa的能量密度很高,但不能抵抗高温。它们在250度和350度之间有差别,因此不太安全。解决方法是将7000多块电池并联起来,大大降低单个电池泄漏和爆炸的风险,即使这样也要一个杂乱的电池维护包。另外,在之前的事故中,虽然由于Telsa的安全规划没有造成人员伤亡,但事故本身其实是非常轻微的敲打,汽车没有损坏,只是电池着火了,这也体现了安全上的自然顺风。

燃料动力锂电池由于其易燃易爆的特性,充满了安全隐患。然而,如下表所示,与汽车使用的两种常见可燃气体汽油蒸汽和天然气相比,氢气并不差,甚至稍好一些。目前,碳纤维材料已被用于汽车储氢装置中,这些装置可以在时速80KM/h的多角度碰撞试验中安然无恙。即使事故导致泄漏,由于氢气爆炸要高浓度,爆炸前已经开始燃烧,但很难爆炸。另外,氢气成分较轻,从系统中逸出的氢气在火灾后会迅速上升,从而在一定程度上维持了身体和乘客。汽油是液体,锂离子电池是固体,难以在大气中上升,在客舱底部焚烧,会使车辆迅速燃烧成碎片。储氢运输与液化天然气非常相似,只是要更大的压力,而且随着商业推广,整体安全还是可控的。

电池车的成本分为第一辆车的成本、材料成本、配套成本。现在对燃料动力锂电池最批评的是成本太高,但是随着远景的发展,随着技术的进步和商业的进步,成本下降的空间是非常大的。而假如锂离子电池考虑电网终端扩容的成本,实际上匹配成本之和高于燃料动力锂电池,具体计算如下:

车辆成本比较

锂离子电池、燃料动力锂电池和传统的汽油汽车,汽车成本的重要差异体现在发动机成本上,其他部件的差异不大。2L汽油车的发动机成本约3万元,未来很难有太大的变化。锂离子电池的kWh成本是1200元/kWh,预计未来会降低到1000元/kWh。45度电动汽车的电池成本为45000元。燃料动力锂电池的成本是电池包和高压储氢罐,现在100千瓦的电池成本是10万元,预计年产50万后,单位成本将降低到30美元/千瓦,即2万元。现有储氢罐的成本为6万元,预计未来将降至3.5万元,总成本为5.5万元。长期来看,三种动力系统的成本差别不大,可以看出,整车成本并不是核心问题。

材料成本比较

2L汽油车100公里耗油10升,5.8元/升汽油价格,成本为58元。锂离子电池车100公里耗电17度,0.65元/KWH的电费,11元的费用。燃料动力锂电池每100公里消耗9立方米氢气。制氢重要包括电解水或化学反应,如煤制氢和天然气制氢。电解水的成本首先是电,均匀的5度电1平方的氢气,成本大约是3.8元/平方,但可以在氢气站直接电解,节省运输成本。假如选择化石能源集中大规模加工,国内成本最低的是煤制氢,大约为1.4元/方,北美可以使用廉价的天然气,成本在0.9元/方。假如我们以煤制气成本为基准,100公里材料成本为12.6元,与锂离子电池相差不大。

匹配成本比较

加氢站、加油站和充电站的成本重要分为土地成本、设备成本和建设成本。加油站基地300万元,充电站430万元,氢气站按照日本目前的标准预计为1500万元,氢气站总成本高出约1000万元。按15年折旧,年销售1000万平方米,则折旧费用为0.1元/平方米。氢一般采用罐车小规模运输,预计运费为0.44元/方,扩大规模后可选择管网运输,成本降至0.23元/方。

虽然锂离子电池目前依赖于现成的电网系统,但它们的成本很低。但假如大规模执行,现有的电网容量冗余基础将被耗尽,未来要大规模扩容。因此,充电站本质上是将支持成本外部化到电网中,因此整个产业链的成本都要加到电网中。一般情况下,商业运行的充电站应至少达到1小时快速充电的标准,10个充电桩组成的充电站功率应达到600kw,相当于数百户家庭的电力负荷,对电网负荷影响较大。对应于网格的需求追加投资120万元扩大产量负荷,但每年新增电力销售只要930000度,根据0.65元/千瓦时购买电力成本,网格的最后15年回收投资计算,然后价格新增0.18元/千瓦时的基础上的成本。

销售终端成本计算

加油站的销售网络已经非常成熟,每小时的利润可以作为加油站合理退货的基准。相应加氢站每平方米的差价为0.51元,锂离子电池每千瓦时的差价为4.9元。这种价格情况下,锂离子电池汽车基地无法实现。国家现在将充电站的费用限制在每千瓦时0.4元,但这是在慷慨补贴的背景下。但长期以来,没有哪个行业能够依靠补贴来开展。未来,假如锂离子电池的充电功率没有明显提高,公司的剩余水平将明显低于加油站和加氢站环节。没有合理的回报,在土地稀缺的大城市,投资者就没有动力去推广充电站,工业性质也无法发展。但锂离子电池低能量密度过低,假如力完成高充电功率,电池周期寿命面对的工程战将十分巨大。即使是3分钟后

总资本

综上所述,汽油车、锂离子电池车、现阶段纯商用燃料动力锂电池车100公里后的成本分别为58、83、23和20元。因为锂离子电池成本的差价销售比例非常高,让我们考虑一下,充电桩设备投资是1/3的加氢站,每小时利润减少到1.4元,成本之和也37元,燃料动力锂电池汽车长时间成本优点仍然非常明显。其实,这一切的根源都是燃料动力锂电池的能量密度最高,同样商业化的情况下,成本自然优点明显。

发展新汽车的一个重要逻辑是节能环保,这无疑对我国更重要。现在我国不仅空气污染严重,对石油进口的依赖性高达60%,其中85%还通过美国控制马六甲海峡,电力安全已成为我国国家安全的最大弱点。对新车给予巨额补贴的重要原因之一是为了减轻对石油进口的依赖。然后从节能、环保、资源约束等方面对两者进行比较,如下:

节能与环保的比较

燃料动力锂电池材料制氢在我国目前最经济的办法是煤制氢,锂离子电池材料制氢,在我国也重要是从煤发电。因此,这两种能源本质上都是来自煤炭,碳排放只转移到上游,所以无论是否节能,首先要看的是能源转换动力。目前,锂离子电池汽车每百公里耗电17千瓦,相当于6.8公斤煤。燃料动力锂电池每100公里消耗9立方米氢气,储运损耗20%,相当于7.3公斤煤。汽油车每100公里消耗10L的燃料,排放相当于10kg的煤。事实上,这款新车的节能效果并不明显,其核心价值仍然是将电力消耗从石油转化为我国丰富的煤炭,缓解电力安全问题。从环保角度来看,燃料动力锂电池几乎没有尾气排放,锂离子电池只有少量排放,整个行业的污染将集中在上游。但是,与处理分散的汽油汽车尾气排放相比,上游污染控制无疑要容易得多。综上所述,燃料动力锂电池是整个产业链中污染最低的,是最佳的绿色汽车动力。

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