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性能
锂离子电池和燃料电池内部发生的化学反应已经决定了电池的可逆电动势。对于一个电化学反应,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。而对于锂离子电池,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电池正极材料以磷酸铁锂(LFP)为主,负极材料仍主要采用石墨材料,其比能量约为90~140Wh/kg。而燃料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,顶级豪华电动汽车Tesla的续驶里程刚达到500km;而以丰田Mirai、现代ix35为典型代表的燃料电池车续驶里程都在500km以上。因此在能量密度方面,燃料电池比锂离子电池好。
寿命
燃料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。对于一辆普通轿车,假设是电动汽车,电量配置60kWh(BYDE6配置60kWh)其成本在9.6万元。如果是燃料电池车,功率配置100kW(丰田Mirai配置114kWh),电堆成本在50万左右。
燃料电池的成本目前明显高于锂离子电池,这是限制燃料电池发展的瓶颈。一般认为,燃料电池的成本偏高主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1600Ma@0.6V/cm2,即0.96W/cm2。对于100kW的燃料电池系统中使用的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。对于100kW的燃料电池堆的成本在50万元以上,Pt的成本只占总成本的4%左右。燃料电池的成本主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。
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