Comparación de baterías dinámicas de iones de litio con pilas de combustible

Con el desarrollo continuo de la economía, la propiedad mundial de automóviles está aumentando. El gran consumo de combustible hace que la crisis energética sea cada vez más grave, y las emisiones de escape de los automóviles hacen que la contaminación ambiental sea cada vez más grave. Por ello, en los últimos años, muchas empresas automovilísticas se centran en la investigación de vehículos de nueva energía, intentando sustituir el uso de motores de combustión interna. El desarrollo de vehículos de nueva energía es cada vez más rápido. Los vehículos eléctricos representados por Tesla gozan de gran popularidad, mientras que los vehículos de pila de combustible representados por Toyota Mirai también han atraído mucha atención recientemente. Las baterías de iones de litio y las pilas de combustible, como componentes centrales de los vehículos eléctricos y de las pilas de combustible, desempeñan un papel decisivo en su desarrollo.

Las baterías dinámicas de iones de litio se han comercializado hasta cierto punto. En 2016, los envíos de baterías de energía doméstica fueron de 28GWh, la batería de fosfato de hierro y litio seguía siendo la principal participación de mercado de 20GWh, la batería de material ternario fue de solo 6.3gwh, las otras fueron manganato de litio, titanato de litio, batería de nimh, supercondensador y batería de otros materiales. Se espera que el número de fabricantes nacionales de baterías de litio sea de alrededor de 150, y los tres principales en términos de envíos son byd, CATL y watma. Las pilas de combustible aún no están disponibles comercialmente. Solo unas pocas empresas relacionadas, como Beijing ehuatong, xinyuan power, saic motor y el instituto de tecnología wuhan, están involucradas.

A continuación, presentaremos las características de la batería de iones de litio y la celda de combustible desde los aspectos de principio de funcionamiento, rendimiento y seguridad, para profundizar nuestra comprensión y comprensión de ellas.

Primero, el principio de funcionamiento de la batería de iones de litio y la pila de combustible.

La batería de iones de litio es un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía. La batería de iones de litio de uso común se puede dividir en batería de fosfato de hierro y litio (LFP), batería terncm y batería de manganato de litio (LMO) de acuerdo con los materiales del electrodo positivo. Tomemos como ejemplo la batería de fosfato de hierro y litio: cuando se descarga, el fosfato de hierro en el electrodo positivo y los iones de litio transferidos desde el electrodo negativo a través del electrolito y los electrones transferidos desde el circuito externo se combinan para formar fosfato de hierro y litio. El litio incrustado en la capa de grafito del electrodo negativo se descarga y se convierte en iones de litio y electrones transferidos al electrodo positivo a través del electrolito y el circuito externo, respectivamente.

La pila de combustible es esencialmente un generador cuyo combustible y oxidante se convierten en electricidad por reacción electroquímica sin combustión. Por lo tanto, las pilas de combustible no están limitadas por el ciclo de Carnot y la eficiencia de conversión de energía es alta. Las pilas de combustible pueden ser tan eficientes como el 60 por ciento cuando se usan como unidad de conversión de energía y tan eficientes como el 80 por ciento cuando se usan como unidad de cogeneración. Las pilas de combustible se dividen en pila de combustible básica (AFC), pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC), pila de combustible de óxido sólido (SOFC), pila de combustible de carbonato fundido (MCFC) y pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) según sus electrolitos. Diferentes tipos de campo de aplicación de celdas de combustible en diferentes entornos, y el uso del uso del rango de temperatura de la celda de combustible de membrana de intercambio de protones para la temperatura ambiente a 80, aproximadamente, en la actualidad en el automóvil de celda de combustible que usa básico son de este tipo. En una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (pemfc), por ejemplo, al generar electricidad, el oxígeno positivo y el ión de hidrógeno del electrodo negativo y los electrones del circuito externo se combinan para formar agua, y el átomo de hidrógeno negativo pierde electrones y se convierte en ion hidrógeno y los electrones se transfieren al electrodo positivo a través del electrolito y el circuito externo respectivamente.

Ii. Principales características técnicas de las baterías de iones de litio y las pilas de combustible.

actuación

La fuerza electromotriz reversible de una batería de iones de litio está determinada por las reacciones químicas que ocurren dentro de la celda de combustible. Para una reacción electroquímica, su fem reversible se puede calcular mediante la fórmula de la siguiente manera:

El cambio en la energía libre de Gibbs de la reacción electroquímica en el estado estándar refleja la posibilidad termodinámica de la reacción electroquímica, que está determinada por la naturaleza de la reacción en sí, la concentración de reactivos y productos y la temperatura de reacción. N es el número de electrones transferidos por mol de reactivo, F es la constante de Faraday. En condiciones estándar, la fem reversible de la pila de combustible es de aproximadamente 1,25 V. Para las baterías de iones de litio, la fuerza electromotriz reversible cambia constantemente debido al cambio constante en la estructura de los materiales de los electrodos positivos y negativos durante el proceso de reacción. La fuerza electromotriz reversible de la batería tiene una relación correspondiente con el grado de reacción. Por lo tanto, el estado de carga de la batería se puede juzgar midiendo OCV de acuerdo con la curva ocv-soc. Las curvas de rendimiento de las pilas de combustible y las baterías de iones de litio en uso real se muestran en la tabla 2.

La densidad de energía

Los coches eléctricos funcionan íntegramente con baterías, con más énfasis en la capacidad de continuar conduciendo después de cargar, prestando más atención a la densidad de energía de la batería. La mejora de la densidad de energía de las baterías de iones de litio está limitada por el cuello de botella teórico de los materiales de la batería. En la actualidad, el fosfato de hierro y litio (LFP) es el principal material de electrodo positivo de las baterías eléctricas de vapor domésticas, mientras que el grafito sigue siendo el principal material de electrodo negativo, cuya energía específica es de aproximadamente 90 ~ 140 Wh / kg. Las pilas de combustible, por otro lado, son dispositivos de generación de energía con densidades de energía mucho más altas que las baterías de iones de litio. En términos de la autonomía de conducción de todo el vehículo que corresponde directamente a la densidad de energía, la autonomía de conducción de Tesla, el coche eléctrico de lujo superior, acaba de alcanzar los 500 km. Los vehículos típicos de pila de combustible representados por Toyota Mirai y hyundai ix35 tienen un rango de conducción continuo de más de 500 km. Por tanto, las pilas de combustible son mejores en cuanto a densidad de energía que las baterías de iones de litio.

la vida

El rendimiento de las pilas de combustible y las baterías de iones de litio se deteriora con el aumento de la vida útil de la batería. Además, las condiciones de arranque y parada, aceleración y desaceleración del automóvil representan una gran parte de las condiciones de trabajo totales, lo que hace que el rango de corriente de trabajo de la batería sea amplio y la tasa de cambio de corriente sea muy grande, lo que sin duda acortará la duración de la batería. Por lo tanto, uno de los problemas clave es estudiar la vida útil de la pila de combustible y la batería de iones de litio.

El costo de

En la actualidad, el costo del sistema de batería de iones de litio nacional es de aproximadamente 1800 yuanes / kWh, y el costo de la pila de pilas de combustible (excluyendo el sistema de combustible y otros accesorios en el sistema) es de aproximadamente 5000 yuanes / kW. Para un automóvil ordinario, digamos que es un automóvil eléctrico, con una configuración de potencia de 60kWh (configuración BYDE6 de 60kWh), su costo es de 96.000 yuanes. Si se trata de un automóvil de pila de combustible, la configuración de potencia es de 100 kW (la configuración de Toyota Mirai es de 114 kWh) y el costo del reactor eléctrico es de alrededor de 500.000 yuanes.

El costo de la pila de combustible es mucho más alto que el de la batería de iones de litio, que es el cuello de botella del desarrollo de la pila de combustible. En general, se cree que el alto costo de las pilas de combustible se debe principalmente al uso de metal precioso Pt, pero el costo real de Pt se calcula de la siguiente manera: el nivel actual de carga de Pt más alta es de 0,4 mg / cm2 y su rendimiento eléctrico El nivel es 1600Ma@0.6V/cm2, es decir, 0.96w / cm2. Para un sistema de pila de combustible de 100 kW, el contenido de Pt utilizado es de 41,67 g. El precio de Pt se calcula de acuerdo con 500 yuanes / gy el costo de usar Pt es 41,67 * 500 = 20833 yuanes. El costo de Pt es solo alrededor del 4% del costo total de un reactor de celda de combustible de 100kW que cuesta más de 500.000 yuanes. El costo de las pilas de combustible se debe principalmente a la inmadurez de los materiales y las tecnologías del sistema. Sin embargo, con el desarrollo de la comercialización, el costo de las pilas de combustible se reducirá drásticamente.

Seguridad y normativas

La seguridad de la batería de potencia es el primer problema a considerar y resolver en el desarrollo del vehículo eléctrico. Para mejorar la seguridad de las baterías dinámicas de iones de litio, se deben establecer una serie de medidas técnicas, que incluyan material, batería y componentes clave, seguridad del sistema, etc. Con el uso grupal y a gran escala de una sola batería, la seguridad del sistema dinámico de baterías de iones de litio se enfrenta a nuevos desafíos. El combustible de las pilas de combustible es el hidrógeno, que es inflamable y explosivo, por lo que existe una preocupación generalizada por su seguridad. De hecho, el hidrógeno no es menos seguro que la gasolina y el gas natural.

Las celdas de combustible de celda única tienen menos características de seguridad que las celdas de iones de litio. El sistema de pila de combustible de nivel de integración del sistema es más complejo que el sistema de batería de iones de litio. Con el uso de hidrógeno como gas combustible, existe un diseño adicional de protección contra fugas para el hidrógeno. Debido a la necesidad de prevenir el impacto de una humectación inadecuada de la membrana de intercambio de protones, es necesario monitorear la resistencia interna para monitorear los cambios en la humedad interna. El diseño de seguridad de las pilas de combustible y las baterías de iones de litio se muestra en la tabla 4.

El reductor y oxidante de la batería dinámica de iones de litio se almacenan en el mismo dispositivo, separados por una membrana de solo una micra de espesor, mientras que el reductor y oxidante de la pila de combustible se colocan fuera de la batería. En principio, las pilas de combustible son más seguras que las de iones de litio. Mediante una serie de precauciones de seguridad, la seguridad de ambas baterías es aceptable.

Con el fin de garantizar la seguridad de las baterías eléctricas, el estado ha formulado una serie de estándares para las baterías eléctricas de iones de litio y las pilas de combustible, a fin de garantizar la seguridad y confiabilidad de las baterías eléctricas. Como se muestra en la tabla 5, las celdas de combustible tienen menos estándares que las baterías de iones de litio, con un tiempo de lanzamiento más temprano, y su cumplimiento con el status quo no es tan bueno como el de las baterías de iones de litio. Existe una especificación correspondiente para la prueba de conformación de vehículos eléctricos, la especificación GB / t18388-2005 para la prueba de conformación de vehículos eléctricos y la especificación para vehículos de celda de combustible, como un estándar necesario para dar forma a productos de vehículos de nueva energía en la industria automotriz, se necesita con urgencia para ser lanzado.

Iii. Prospectos y prospectos

En general, las pilas de combustible son superiores a las baterías de iones de litio en términos de densidad de energía, vida y seguridad. En términos de costo, las pilas de combustible no pueden competir con las baterías de iones de litio. En la actualidad, las tecnologías clave de la batería de iones de litio son la mejora de la densidad de energía, la seguridad, la gestión térmica, la integración del sistema y el control de optimización, etc. Las tecnologías clave de la pila de combustible son la durabilidad, el arranque en frío, la integración del sistema y el control óptimo, etc. las celdas y las baterías de iones de litio tienen mucho margen de mejora. Para la batería de iones de litio, si su densidad de energía se puede mejorar aún más, el ciclo de vida puede ser más largo, también es una excelente energía de conducción. Si se puede reducir el costo de las celdas de combustible, realmente pueden servir como una alternativa al combustible de gasolina / diesel. La mejora de la densidad energética se enfrenta al cuello de botella del campo temático básico, y es muy raro tener una mejora cualitativa; La reducción de costes se puede solucionar mediante la comercialización. Por tanto, a corto plazo, las baterías de iones de litio son mejores que las pilas de combustible; A largo plazo, las pilas de combustible son más prometedoras que las baterías de iones de litio.

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