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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讨论。
锂离子电池和燃料电池的研究与发展历程
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。
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