10.22 日本人押上老命的燃料电池能否取代锂电池?

1、锂电池究竟有没有污染?

首先,锂金属是一种能对环境产生危害的物质。这点是毫无疑问的。

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美国环境保护局认为用于制造锂金属电解质和电池阴极的强效熔剂能导致包括癌症和神经系统疾病在内的各种疾病。

特别是用来制造压缩型高功率锂电池的钴金属,更是一种高致癌毒物。只要有人接触了钴金属,他的肺、神经、和呼吸道极有可能发生病变。

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具体到电池的工业化生产,金属材料加工中的铅、砷、镉、汞、铬等都有可能会释放到灰尘和水中。

各种行业还处在基础加工阶段的中国,一定是电池行业转移污染加工工序的目的地。对于中国来说我们面临的生产过程中的工艺排泄物污染更加严重。

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而且,电池本身就是一种化学物质,我们还要面临报废以后的电池污染。当电池结束了使用周期后,怎样处理成为了重要问题。

目前为止,在国内除了收集存放、找地填埋之外仍没有形成回收利用的产业链。中国的现状是无论政策还是技术都不能像国外,形成一个良性的回收产业链,将废旧电池拆解提炼得到有用的重金属。在国内的电池回收利用率几乎为零,这种现状也是很无奈的。

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据说2017年将有7万吨锂离子电池报废,至今没有找到一种合适的处理办法。

2、燃料电池有没有污染?

氢燃料电池阴极板供给的氧可直接从空气中获得,因此仅需不断给阳极板供应氢气并及时把水带走,氢燃料电池就可以不断提供电能。

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相对于其他能源,氢燃料电池的发电过程无污染,能量转换效率更高,且其燃料氢气来源广泛,可再生。

燃料电池属于清洁能源的一部分,由于其反应过程就是无污染的水反应,反应过程不会产生污染物,其主要污染物来自于燃料,可能存在氮氧化物等污染。

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相对于普通火力发电的空气污染以及传统电池的重金属污染而言,燃料电池对环境的污染程度远远降低。

而氢燃料电池,其燃料为纯净无污染的氢气,相对其他燃料而言,废气中也不存在污染物。

可以说,氢燃料电池就是一个能真正实现零污染的环保能源。

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3、锂电池的电力来源是否清洁?

普通汽车要加油,电动汽车要充电。电动汽车的电从哪里来?电的来源是否清洁?大家都知道烧煤发电,可有人一定会问:不是有水电吗?不是有风电吗?不是有核电吗?

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我就举一个最简单的例子吧:东三省1.3亿+华北1.7亿,总计3亿人口,可是东北和华北有风电吗?有水电吗?有核电吗?

风电在西北,水电在长江,核电在浙江和广东。

据统计,东北电网和华北电网99%的电力来自于火电。也就是说,东北和华北(包括北京)大街上跑的电动汽车,用的电99%是烧煤发出来的。北京满大街电动汽车烧煤发电,只是没有在北京境内烧煤罢了。

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2016年,中国火电比例71.6%。你还觉得电动汽车的电力来源环保吗?

可能有的同学又说了,我们会大力建设新能源,是的,没错,但是水电是特定区域没法大规模铺开,风电也一样且非常不稳定,太阳能也就西北不下雨的地方用比较合适,唯一有潜力的就是核电了,那么中国的核电还有多少潜力?

美国目前核电比例19%,德国22%,日本23%。小编可以打赌,未来十年之内,中国仍然以烧煤发电为主,立帖为证。

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4、燃料电池的原料来源是否清洁?

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

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燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所,其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。

一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料,作为负极,用空气中的氧作为正极。

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和一般电池的主要区别在于:一般电池的活性物质是预先放在电池内部的,因而电池容量取决于贮存的活性物质的量;而燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)是在反应的同时源源不断地输入的,因此,这类电池实际上只是一个能量转换装置。

具体地说,燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。

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最初,电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成,现在正发展为直接使用固体的电解质。工作时向负极供给燃料(氢),向正极供给氧化剂(空气)。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。

氢离子进入电解液中,而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上,空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。

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5、锂电池是否安全?

三元锂电安全性最差曾经有三元锂电池纯电动公交车,出现直接爆炸事故,由此工信部曾经公布三元锂电池公交车国家不与公告,也就是没有补贴。

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磷酸铁锂安全性好一些,冒烟、着火、延期爆炸,给乘客逃生留有时间,可以装公交车。

据说钛酸锂安全性有了保障,但小编认为,该类电池仍然使用有机物电解质,怎么能够保障一定不着火呢?

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针对于锂离子电池的安全性,电池厂从材料、结构、电解液阻燃、电池管理、电池组合等多方面进行了控制,电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纯电动车越来越多了。

现在车用储氢装置都采用碳纤维材料,在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车祸导致泄露,由于氢气爆炸要求浓度高,在爆炸前一般就已经开始燃烧,反而很难爆炸。

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而且氢气重量轻,溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起,反而一定程度上保护了车身和乘客。而汽油为液态,锂电池为固态,很难在大气中上升,燃烧都在车舱底部,整车会迅速着火报废。

锂电池作为封闭的能量体系,从原理上高能量密度和安全性就很难兼容,否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中,能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好,电池温度达到500-600度时才开始分解,基本不需要太多的保护辅助设备。

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Telsa采用的三元电池能量密度虽高,但不耐高温,250-350度就会分解,安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池,大幅降低了单个电池漏液,爆炸带来的危险,即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备。

即使对锂离子电池进行了有效控制,但2016年新能源车着火的次数是前10年的总和。随着电池容量进一步衰减,电池容量离散进一步扩大,不安全因素会加大。

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6、燃料电池是否安全?

氢气是易燃易爆品,它的可燃范围是4~75%vol,爆炸范围是18~59%vol,无色无味,人们凭感官无法对氢气的泄漏有所警觉,这或许就是人们对其有戒备心理的一个重要原因。

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氢气是最轻的气体,在空气中扩散速度快。氢气向上扩散速度几乎可达到20m/s,是氮气的2倍,天然气的6倍。因此,除非受到屋顶、通风差的屋子或其他充有上升气体的场所限制,氢气的特性会防止它聚集在泄漏处周围。

日本研究试验结果表明,在汽油车和氢燃料电池汽车分别创造燃料泄露和着火条件下,3秒时汽油车下方漏油着火,而氢气则是迅速冲高在汽车上方着火。一分半钟以后燃料电池汽车的明火已经熄灭,而汽油车火势正旺最终烧得只剩车架。

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在开放空间,氢气的扩散系数是汽油的12倍,从危险程度上看,汽油的爆炸能量是相同体积氢气的22倍,在发生爆炸时,由于氢气密度远低于空气,爆炸会发生在气源上方,而汽油的爆炸则发生在燃料周围,汽油的危险程度远甚于氢气。

对于储氢罐而言,最大的安全隐患是当气瓶在外力作用下发生破损而引发的氢气泄露。电堆自身或与车身金属件之间的碰撞摩擦可能产生火花而引爆泄漏的氢气。因此,如何避免储氢罐不因外力而受到破损,以及破损以后如何避免氢气爆炸,是FC-EV的最关键安全性考核因素。

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实事求是而言,不管是燃料电池系统还是锂离子动力电池,发生安全性事故的后果都是极其严重的。但是如果仅仅从系统控制的角度而言,笔者个人认为,燃料电池在安全性影响因素的可控性方面要比锂离子动力电池相对而言更容易控制。

7、锂电池和燃料电池哪个成本更低?

近几十年虽然各国都在大力推广电动车,但其占比依然很低,尚不足1%,核心就在于过往的电动车都违反了能量密度提升这个能源变革的主线逻辑。

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哪怕是最新一代的锂电池车,其能量密度极值也只有汽油的1/40,行业自然迟迟无法出现10倍速的改进。

但燃料电池的出现却彻底改变了这一现状。其以氢气为原料,基础能量密度是汽油的3倍,电动机的做功效率还是内燃机的2倍,实际密度是汽油的6倍。

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燃料电池能量密度远高于锂电池,相应电池容量,快充能力和续航里程就具备了天然的优势,即使是和锂离子电池的顶级豪车Tesla相比也是大幅领先。

整车成本比较

2L汽油车发动机成本在3万元左右。目前锂电池1200元/kWh,45度电动车电池成本为4.5万元。

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燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐,现在100kw电池组成本为10万元,预测年产50万台后,单位成本将降至30美元/KW,即2万元。

现有储氢罐成本为6万元,未来有望降至3.5万元,总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大。

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原料成本比较

2.0L汽油车百公里耗油为10升,7.4元/L的汽油售价,成本为74元。锂电池车百公里耗电量为17度,0.65元/度电成本,成本11元。

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燃料电池百公里消耗氢气9方,平均5度电制1立方米氢气,成本约为3.8元/方。国内成本最低的是煤制氢气,约为1.4元/方,北美则可利用廉价的天然气,成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准,百公里原料成本12.6元,和锂电池差别不大。

8、锂电池和燃料电池哪个对环境的适应性更好?

普通的电子产品上的锂离子电池使用寿命大概是5到20年,平均为8年,而以现在的技术水平,锂离子电池在电动汽车上的使用寿命只有大约3-5年。

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当电动汽车上的电池容量衰减到初始容量的80%以下时,电动汽车的续驶里程将会明显减少,当电池容量衰减到70%以下时,就必须要更换电池了。对于目前的很多纯电动汽车来说,电池的成本大约占汽车总成本的40%左右,也就是说,更换电池就相当于换了小半个车。

常规的锂电池工作温度:-20℃~60℃,不过一般低于0℃后锂电池性能就会下降,放电能力就会相应降低,所以锂电池性能完全的工作温度,常见是0~40℃。

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本田公司新开发的FCX Clarity燃料电池汽车,能够在- 30℃顺利启动,续驶里程达到620 km。

9、小结

我们东边的邻居日本,从战后经济开始起飞,但是在上个世纪之交,白色家电产业被中国打败;在21世纪的第一个十年,日本高科技产业整体沦陷,韩国一个三星比日本前15个电子公司业绩都多;之后,中国互联网技术浪潮兴起,尤其是移动互联网的狂飙突进,就连美国都不逞多让。现在市场上还能见到日本手机吗?

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目前日本能在国际上拿得出手的国家战略级产业,大概只剩汽车了。但是日本的新能源汽车与中美德主推纯电驱动不同,日本大力发展燃料电池,于是不知是有意还是无意,形成了日本燃料电池车FCV对决中美德充电汽车BEV的局面,日本的赢面有多大?以一敌三?如果行业标注被别人定义和书写,燃料电池技术再先进又有什么用呢?

届时,恐怕才是日本真正坠入深渊之时。


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