10.22 日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?

1、鋰電池究竟有沒有汙染?

首先,鋰金屬是一種能對環境產生危害的物質。這點是毫無疑問的。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


美國環境保護局認為用於製造鋰金屬電解質和電池陰極的強效熔劑能導致包括癌症和神經系統疾病在內的各種疾病。

特別是用來製造壓縮型高功率鋰電池的鈷金屬,更是一種高致癌毒物。只要有人接觸了鈷金屬,他的肺、神經、和呼吸道極有可能發生病變。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


具體到電池的工業化生產,金屬材料加工中的鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。

各種行業還處在基礎加工階段的中國,一定是電池行業轉移汙染加工工序的目的地。對於中國來說我們面臨的生產過程中的工藝排洩物汙染更加嚴重。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


而且,電池本身就是一種化學物質,我們還要面臨報廢以後的電池汙染。當電池結束了使用週期後,怎樣處理成為了重要問題。

目前為止,在國內除了收集存放、找地填埋之外仍沒有形成回收利用的產業鏈。中國的現狀是無論政策還是技術都不能像國外,形成一個良性的回收產業鏈,將廢舊電池拆解提煉得到有用的重金屬。在國內的電池回收利用率幾乎為零,這種現狀也是很無奈的。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


據說2017年將有7萬噸鋰離子電池報廢,至今沒有找到一種合適的處理辦法。

2、燃料電池有沒有汙染?

氫燃料電池陰極板供給的氧可直接從空氣中獲得,因此僅需不斷給陽極板供應氫氣並及時把水帶走,氫燃料電池就可以不斷提供電能。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


相對於其他能源,氫燃料電池的發電過程無汙染,能量轉換效率更高,且其燃料氫氣來源廣泛,可再生。

燃料電池屬於清潔能源的一部分,由於其反應過程就是無汙染的水反應,反應過程不會產生汙染物,其主要汙染物來自於燃料,可能存在氮氧化物等汙染。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


相對於普通火力發電的空氣汙染以及傳統電池的重金屬汙染而言,燃料電池對環境的汙染程度遠遠降低。

而氫燃料電池,其燃料為純淨無汙染的氫氣,相對其他燃料而言,廢氣中也不存在汙染物。

可以說,氫燃料電池就是一個能真正實現零汙染的環保能源。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


3、鋰電池的電力來源是否清潔?

普通汽車要加油,電動汽車要充電。電動汽車的電從哪裡來?電的來源是否清潔?大家都知道燒煤發電,可有人一定會問:不是有水電嗎?不是有風電嗎?不是有核電嗎?

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


我就舉一個最簡單的例子吧:東三省1.3億+華北1.7億,總計3億人口,可是東北和華北有風電嗎?有水電嗎?有核電嗎?

風電在西北,水電在長江,核電在浙江和廣東。

據統計,東北電網和華北電網99%的電力來自於火電。也就是說,東北和華北(包括北京)大街上跑的電動汽車,用的電99%是燒煤發出來的。北京滿大街電動汽車燒煤發電,只是沒有在北京境內燒煤罷了。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


2016年,中國火電比例71.6%。你還覺得電動汽車的電力來源環保嗎?

可能有的同學又說了,我們會大力建設新能源,是的,沒錯,但是水電是特定區域沒法大規模鋪開,風電也一樣且非常不穩定,太陽能也就西北不下雨的地方用比較合適,唯一有潛力的就是核電了,那麼中國的核電還有多少潛力?

美國目前核電比例19%,德國22%,日本23%。小編可以打賭,未來十年之內,中國仍然以燒煤發電為主,立帖為證。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


4、燃料電池的原料來源是否清潔?

燃料電池是一種將存在於燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所,其性能的好壞關鍵在於觸媒的性能、電極的材料與電極的製程等。

一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣為燃料,作為負極,用空氣中的氧作為正極。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


和一般電池的主要區別在於:一般電池的活性物質是預先放在電池內部的,因而電池容量取決於貯存的活性物質的量;而燃料電池的活性物質(燃料和氧化劑)是在反應的同時源源不斷地輸入的,因此,這類電池實際上只是一個能量轉換裝置。

具體地說,燃料電池是利用水的電解的逆反應的“發電機”。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


最初,電解質板是利用電解質滲入多孔的板而形成,現在正發展為直接使用固體的電解質。工作時向負極供給燃料(氫),向正極供給氧化劑(空氣)。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。

氫離子進入電解液中,而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上,空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


5、鋰電池是否安全?

三元鋰電安全性最差曾經有三元鋰電池純電動公交車,出現直接爆炸事故,由此工信部曾經公佈三元鋰電池公交車國家不與公告,也就是沒有補貼。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


磷酸鐵鋰安全性好一些,冒煙、著火、延期爆炸,給乘客逃生留有時間,可以裝公交車。

據說鈦酸鋰安全性有了保障,但小編認為,該類電池仍然使用有機物電解質,怎麼能夠保障一定不著火呢?

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


針對於鋰離子電池的安全性,電池廠從材料、結構、電解液阻燃、電池管理、電池組合等多方面進行了控制,電池不安全性得到了一定程度的抑制,也就是大家看到的路上跑的純電動車越來越多了。

現在車用儲氫裝置都採用碳纖維材料,在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫髮無損。即使車禍導致洩露,由於氫氣爆炸要求濃度高,在爆炸前一般就已經開始燃燒,反而很難爆炸。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


而且氫氣重量輕,溢出系統的氫氣著火後會迅速向上升起,反而一定程度上保護了車身和乘客。而汽油為液態,鋰電池為固態,很難在大氣中上升,燃燒都在車艙底部,整車會迅速著火報廢。

鋰電池作為封閉的能量體系,從原理上高能量密度和安全性就很難兼容,否則就等同於炸彈。因此現在主流工藝路線中,能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好,電池溫度達到500-600度時才開始分解,基本不需要太多的保護輔助設備。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


Telsa採用的三元電池能量密度雖高,但不耐高溫,250-350度就會分解,安全性差。其解決方法是並聯了超過7000節電池,大幅降低了單個電池漏液,爆炸帶來的危險,即使如此也還需要結合一套複雜的電池保護設備。

即使對鋰離子電池進行了有效控制,但2016年新能源車著火的次數是前10年的總和。隨著電池容量進一步衰減,電池容量離散進一步擴大,不安全因素會加大。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


6、燃料電池是否安全?

氫氣是易燃易爆品,它的可燃範圍是4~75%vol,爆炸範圍是18~59%vol,無色無味,人們憑感官無法對氫氣的洩漏有所警覺,這或許就是人們對其有戒備心理的一個重要原因。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


氫氣是最輕的氣體,在空氣中擴散速度快。氫氣向上擴散速度幾乎可達到20m/s,是氮氣的2倍,天然氣的6倍。因此,除非受到屋頂、通風差的屋子或其他充有上升氣體的場所限制,氫氣的特性會防止它聚集在洩漏處周圍。

日本研究試驗結果表明,在汽油車和氫燃料電池汽車分別創造燃料洩露和著火條件下,3秒時汽油車下方漏油著火,而氫氣則是迅速衝高在汽車上方著火。一分半鐘以後燃料電池汽車的明火已經熄滅,而汽油車火勢正旺最終燒得只剩車架。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


在開放空間,氫氣的擴散係數是汽油的12倍,從危險程度上看,汽油的爆炸能量是相同體積氫氣的22倍,在發生爆炸時,由於氫氣密度遠低於空氣,爆炸會發生在氣源上方,而汽油的爆炸則發生在燃料周圍,汽油的危險程度遠甚於氫氣。

對於儲氫罐而言,最大的安全隱患是當氣瓶在外力作用下發生破損而引發的氫氣洩露。電堆自身或與車身金屬件之間的碰撞摩擦可能產生火花而引爆洩漏的氫氣。因此,如何避免儲氫罐不因外力而受到破損,以及破損以後如何避免氫氣爆炸,是FC-EV的最關鍵安全性考核因素。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


實事求是而言,不管是燃料電池系統還是鋰離子動力電池,發生安全性事故的後果都是極其嚴重的。但是如果僅僅從系統控制的角度而言,筆者個人認為,燃料電池在安全性影響因素的可控性方面要比鋰離子動力電池相對而言更容易控制。

7、鋰電池和燃料電池哪個成本更低?

近幾十年雖然各國都在大力推廣電動車,但其佔比依然很低,尚不足1%,核心就在於過往的電動車都違反了能量密度提升這個能源變革的主線邏輯。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


哪怕是最新一代的鋰電池車,其能量密度極值也只有汽油的1/40,行業自然遲遲無法出現10倍速的改進。

但燃料電池的出現卻徹底改變了這一現狀。其以氫氣為原料,基礎能量密度是汽油的3倍,電動機的做功效率還是內燃機的2倍,實際密度是汽油的6倍。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


燃料電池能量密度遠高於鋰電池,相應電池容量,快充能力和續航里程就具備了天然的優勢,即使是和鋰離子電池的頂級豪車Tesla相比也是大幅領先。

整車成本比較

2L汽油車發動機成本在3萬元左右。目前鋰電池1200元/kWh,45度電動車電池成本為4.5萬元。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


燃料電池成本主要是電池組和高壓儲氫罐,現在100kw電池組成本為10萬元,預測年產50萬臺後,單位成本將降至30美元/KW,即2萬元。

現有儲氫罐成本為6萬元,未來有望降至3.5萬元,總成本為5.5萬元。長期看三種動力體系的成本相差不大。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


原料成本比較

2.0L汽油車百公里耗油為10升,7.4元/L的汽油售價,成本為74元。鋰電池車百公里耗電量為17度,0.65元/度電成本,成本11元。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


燃料電池百公里消耗氫氣9方,平均5度電制1立方米氫氣,成本約為3.8元/方。國內成本最低的是煤制氫氣,約為1.4元/方,北美則可利用廉價的天然氣,成本在0.9元/方。如果我們以煤制氣成本作為標準,百公里原料成本12.6元,和鋰電池差別不大。

8、鋰電池和燃料電池哪個對環境的適應性更好?

普通的電子產品上的鋰離子電池使用壽命大概是5到20年,平均為8年,而以現在的技術水平,鋰離子電池在電動汽車上的使用壽命只有大約3-5年。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


當電動汽車上的電池容量衰減到初始容量的80%以下時,電動汽車的續駛里程將會明顯減少,當電池容量衰減到70%以下時,就必須要更換電池了。對於目前的很多純電動汽車來說,電池的成本大約佔汽車總成本的40%左右,也就是說,更換電池就相當於換了小半個車。

常規的鋰電池工作溫度:-20℃~60℃,不過一般低於0℃後鋰電池性能就會下降,放電能力就會相應降低,所以鋰電池性能完全的工作溫度,常見是0~40℃。

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


本田公司新開發的FCX Clarity燃料電池汽車,能夠在- 30℃順利啟動,續駛里程達到620 km。

9、小結

我們東邊的鄰居日本,從戰後經濟開始起飛,但是在上個世紀之交,白色家電產業被中國打敗;在21世紀的第一個十年,日本高科技產業整體淪陷,韓國一個三星比日本前15個電子公司業績都多;之後,中國互聯網技術浪潮興起,尤其是移動互聯網的狂飆突進,就連美國都不逞多讓。現在市場上還能見到日本手機嗎?

日本人押上老命的燃料電池能否取代鋰電池?


目前日本能在國際上拿得出手的國家戰略級產業,大概只剩汽車了。但是日本的新能源汽車與中美德主推純電驅動不同,日本大力發展燃料電池,於是不知是有意還是無意,形成了日本燃料電池車FCV對決中美德充電汽車BEV的局面,日本的贏面有多大?以一敵三?如果行業標註被別人定義和書寫,燃料電池技術再先進又有什麼用呢?

屆時,恐怕才是日本真正墜入深淵之時。


分享到:


相關文章: