Análisis comparativo de pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

Batería de Litio

Una "batería de litio" es un tipo de batería que utiliza un metal de litio o una aleación de litio como material de electrodo negativo y utiliza una solución de electrolito no acuoso. Las baterías de metal de litio fueron propuestas y estudiadas por primera vez por Gilbert N. Lewis en 1912. En la década de 1970, MSWhitTIngham propuso y comenzó a investigar las baterías de iones de litio. Debido a las propiedades químicas muy activas del metal de litio, el procesamiento, almacenamiento y uso del metal de litio son muy exigentes para el medio ambiente. Por lo tanto, las baterías de litio no se han utilizado durante mucho tiempo. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, las baterías de litio se han convertido en la corriente principal.

Las baterías de litio se pueden dividir aproximadamente en dos categorías: baterías de metal de litio y baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio no contienen litio metálico y son recargables. La batería de litio-metal de quinta generación de baterías recargables nació en 1996, y su seguridad, capacidad específica, tasa de autodescarga y relación precio rendimiento son mejores que las baterías de iones de litio. Debido a sus propios altos requisitos técnicos, solo unas pocas empresas en el país están produciendo tales baterías de metal de litio.

Análisis de pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

Pila de combustible de hidrógeno

Una pila de combustible de hidrógeno es una batería que utiliza hidrógeno como elemento químico para almacenar energía. El principio básico es la reacción inversa del agua electrolizada, que suministra hidrógeno y oxígeno al ánodo y al cátodo respectivamente. Después de que el hidrógeno se difunde hacia afuera a través del ánodo y reacciona con el electrolito, los electrones se liberan al cátodo a través de una carga externa.

Características de las pilas de combustible de hidrógeno Las pilas de combustible no contaminantes son respetuosas con el medio ambiente. Es a través de reacciones electroquímicas, no de combustión (vapor, diesel) o almacenamiento de energía (batería), la solución de energía de respaldo tradicional más típica. La combustión libera contaminantes como COx, NOx, SOx gas y polvo. Como se mencionó anteriormente, las celdas de combustible solo producen agua y calor. Si el hidrógeno se produce a partir de fuentes de energía renovables (paneles fotovoltaicos, generación de energía eólica, etc.), todo el ciclo es un proceso completo que no produce emisiones nocivas.

La celda de combustible sin ruido es silenciosa y el ruido es de solo 55 dB, lo que equivale al nivel de una conversación normal. Esto hace que la pila de combustible sea adecuada para la instalación en interiores o donde existe un límite de ruido en el exterior.

La eficiencia de las pilas de combustible de alta eficiencia puede alcanzar más del 50%, que está determinada por las propiedades de conversión de las pilas de combustible. Convierte directamente la energía química en energía eléctrica sin transformación intermedia de energía térmica y energía mecánica (generador).

Análisis de pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

Análisis comparativo de pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

El panorama energético mundial se acerca a la víspera del gran cambio

A lo largo de la historia de la humanidad, el progreso de la civilización es esencialmente el progreso de la intensidad de la producción de energía. En la civilización agrícola temprana, el poder se basaba principalmente en humanos y ganado, madera y otras bioenergías. La potencia de salida era muy limitada. También estaba limitado por la capacidad de carga terrestre. La economía solo podía circular a bajo nivel, después de la revolución industrial del siglo XVIII, con la máquina de vapor y la máquina de combustión interna. Promover, la energía básica se ha convertido en energía fósil representada por el carbón y el petróleo, la densidad energética se ha incrementado cientos de veces y el PIB finalmente ha roto los grilletes de la “trampa de Malthus”, mostrando un crecimiento exponencial. En la actualidad, la estructura energética global es 33% de petróleo crudo, 24% de gas natural, 30% de carbón, 4% de energía nuclear, 7% de energía hidroeléctrica y 2% de energía nueva. La energía fósil ocupa una posición dominante absoluta. Pero mirando hacia el futuro, juzgamos que la estructura energética humana ha llegado a la víspera de otro cambio importante, y se espera que el petróleo sea reemplazado por completo dentro de 30 años. ¡La energía del hidrógeno representada por las pilas de combustible se convertirá en la nueva fuente de energía líder!

La era del petróleo será reemplazada por completo

El mayor problema que enfrenta el desarrollo de la civilización agrícola en la etapa tardía es que los recursos limitados de la tierra, en última instancia, no pueden sustentar un mayor crecimiento de la población. Como recurso no renovable, la energía fósil también se enfrenta a las limitaciones de la escasez de recursos. Según la extrapolación lineal del crecimiento del consumo durante los últimos 20 años, las reservas mundiales probadas de petróleo solo pueden soportar 30 años. Incluso si el avance tecnológico puede prolongar la vida del petróleo durante décadas, sigue siendo un día de luz útil, en relación con los seres humanos. La historia que duró al menos mil años todavía no tiene sentido. Además, considerando que el nivel actual de exploración ya es suficiente, la probabilidad de descubrir grandes yacimientos petrolíferos de bajo costo es muy baja y el costo minero de la oferta potencial será cada vez mayor. Esto eventualmente estimulará la rápida aceleración de la comercialización de fuentes de energía alternativas. Por ejemplo, el desarrollo de vehículos con batería de litio está ahora en pleno apogeo, por lo que el agotamiento económico del petróleo puede llegar antes. En el futuro, quién puede reemplazar completamente el aceite y convertirse en una nueva generación de combustible para vehículos se convierte en un tema muy crítico.

Pila de combustible vs batería de litio quién ganará

En la actualidad, la ruta técnica principal para reemplazar los vehículos petroleros son las baterías de litio y las pilas de combustible. La mayor ventaja de las pilas de combustible es la alta densidad de energía, que es 120 veces mayor que la de las baterías de litio. Sin embargo, la batería de litio comenzó temprano, el grado de comercialización es mayor, el costo de todo el vehículo es menor y la carga puede utilizar el sistema de red eléctrica existente. En comparación con la red de soporte de toda la hidrogenación y el suministro de hidrógeno de la celda de combustible, la construcción debe comenzar desde cero y el costo debe ser menor. Por lo tanto, el núcleo de la competencia entre los dos es la competencia entre la densidad de energía y el costo. La reducción de costos es un problema de ingeniería que puede resolverse mediante la comercialización, mientras que la densidad de energía enfrenta el cuello de botella en el campo de la ciencia básica, básicamente sin solución. Por lo tanto, la diferencia entre los dos es esencialmente la diferencia entre "dao y tecnología". A largo plazo, las pilas de combustible sin duda tendrán un mayor potencial y también se espera que se conviertan en la próxima generación de energía básica para vehículos.

El aumento de la densidad de energía es la lógica de la línea principal

Cada revolución energética exitosa en la historia de la humanidad tiene una línea lógica principal clara, que es un aumento de orden de magnitud en la densidad de energía. Si el carbón es 160 veces más alto que la leña, el petróleo es 2 veces más alto que el carbón. La nueva energía solo puede subvertir la red básica perfecta y el soporte industrial establecido por el desarrollo a largo plazo, y revertir su enorme inercia de uso, solo con las ventajas de la compactación de la densidad de energía. Esto es similar al principio de velocidad 10x propuesto por el fundador Grove en el campo de TI, es decir, una vez que aparece la nueva tecnología que puede ser subvertida con éxito, es básicamente una chispa y es imparable. Por ejemplo, los vehículos de gasolina son 20 años más tarde que los vehículos eléctricos. La tecnología temprana también es más inmadura, pero con la ventaja de la alta densidad de energía, ha reemplazado a los vehículos eléctricos.

Análisis de pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

En las últimas décadas, aunque los países están promoviendo vigorosamente los vehículos eléctricos, su proporción sigue siendo muy baja, todavía menos del 1%. El núcleo es que los vehículos eléctricos del pasado han violado la lógica principal de la mejora de la densidad de energía. Incluso la última generación de automóviles con batería de iones de litio, la densidad de energía extrema es solo 1/40 de la gasolina que la industria, naturalmente, no puede mejorar 10 veces más rápido. Pero la aparición de las pilas de combustible ha cambiado por completo el statu quo. Utiliza hidrógeno como materia prima, la densidad de energía básica es tres veces mayor que la de la gasolina, la eficiencia de trabajo del motor es el doble que la del motor de combustión interna y la densidad real es seis veces mayor que la de la gasolina. Además, de la historia de la evolución de la energía humana en el siglo pasado, es esencialmente la historia del ajuste de la proporción de hidrocarburos. Cuanto mayor sea el contenido de hidrógeno, mayor será la densidad de energía. El cambio futuro de la energía del carbono a la energía del hidrógeno es la tendencia de la época. Por lo tanto, las pilas de combustible que utilizan energía de hidrógeno son sin duda más representativas de la dirección del desarrollo histórico y es más probable que se conviertan en la fuente de energía básica para la próxima generación.

El rendimiento del vehículo de motor es principalmente la resistencia, el tiempo de carga / carga, la potencia de salida y la seguridad. La densidad de energía de las pilas de combustible es mucho mayor que la de las baterías de litio. La capacidad correspondiente de la batería, la capacidad de carga rápida y el rango de crucero tienen una ventaja natural, incluso si se compara con las baterías de litio del automóvil de lujo Tesla. Sin embargo, su densidad de potencia no es alta y la potencia de salida máxima depende del sistema de batería de potencia auxiliar. La velocidad máxima correspondiente y el índice de aceleración de 100 kilómetros y la batería de litio no son muy diferentes. En aras de la comparación, seleccionamos el vehículo de gasolina de gas de escape de 2L de corriente principal actual, que corresponde al vehículo de batería de litio de 45 grados y el vehículo de batería de combustible de potencia de salida de 100KW como referencia analítica.

Comparación de densidad energética

Como tipo de batería, la batería de litio es un sistema cerrado. La batería es solo el portador de energía. Debe cargarse por adelantado para que funcione. La densidad de energía depende de la densidad de energía del material del electrodo. Dado que la densidad de energía del material del electrodo negativo es mucho mayor que la del electrodo positivo en la actualidad, aumentar la densidad de energía requiere actualizar continuamente el material del electrodo positivo, como de plomo ácido, a níquel, a baterías de litio. Sin embargo, el litio ya es el elemento metálico con menor peso atómico. El material del cátodo con mejor ion de litio es, en teoría, solo un electrodo de litio puro, pero la densidad de energía es solo 1/4 de la de la gasolina, y la tecnología comercial es extremadamente difícil. No hay esperanza de abrirse paso. Por lo tanto, el aumento de la densidad energética de las baterías de litio está sujeto a cuellos de botella teóricos y el espacio es muy limitado. A lo sumo, se incrementa de los 160Wh / KG actuales a 300Wh / KG. Incluso si alcanza solo 1/120 de la celda de combustible, se puede decir que se pierde en la línea de salida.

Comparación de densidad de energía volumétrica

La principal desventaja del hidrógeno de la materia prima de la pila de combustible es que la densidad de energía volumétrica no es alta. Ahora, básicamente, se usa presurización para resolver este problema. Según el modo presurizado actual de 700 atmósferas, la densidad de energía volumétrica es 1/3 de la gasolina. También corriendo 300 kilómetros, el volumen del tanque de almacenamiento de hidrógeno de la celda de combustible es 100L, el peso es 30KG, correspondiente al tanque de combustible del vehículo de gasolina es 30L, pero el volumen del motor es 80L más pequeño que el motor de combustión interna, el volumen total no es muy diferente . Los vehículos con batería de litio se dividen en dos rutas técnicas principales: ternaria y fosfato de hierro y litio. Las empresas representativas son Tesla y BYD. La densidad de energía ternaria es mayor, pero la seguridad es mala. Se necesita el equipo de protección de seguridad auxiliar. Las dos baterías necesarias para recorrer 300 kilómetros son 140L y 220L respectivamente, y el peso es de 0,4 toneladas y 0,6 toneladas, que son mucho más altas que las pilas de combustible. Mirando hacia el futuro Si la aleación de almacenamiento de hidrógeno y la tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura pueden romperse, la densidad de energía del volumen de la celda de combustible aumentará en 1,5 y 2 veces respectivamente, y la ventaja será más obvia.

Comparación de densidad de potencia

La pila de combustible puede entenderse como un sistema de generación de energía química que utiliza hidrógeno como materia prima, por lo que la potencia de salida es relativamente estable. Para maximizar la potencia de descarga, se debe agregar un sistema de batería de potencia. Por ejemplo, Toyota Mirai es una batería de níquel-hidrógeno de apoyo. Sin embargo, como sistema de energía abierto, su energía proviene de una entrada externa. La batería de Ni-MH adicional no necesita considerar el problema del almacenamiento de energía. Siempre que sea de 5-8 grados, puede satisfacer la demanda y la duración de la batería no es alta en el caso de uso limitado. Aunque la eficiencia de descarga teórica de las baterías de litio es muy alta, para no dañar la vida útil de la batería, existen muchas restricciones de uso. En el caso de carga completa, no se puede descargar a gran velocidad, y la descarga rápida solo es aplicable al intervalo de 0-80%. Aun así, a una velocidad de descarga de 5 ° C, el ciclo de vida de la batería en el laboratorio se acortará a solo 600 veces y se reducirá aún más a 400 veces en condiciones reales. Por ejemplo, incluso si Telsa tiene una potencia máxima de 310KW, la tasa de descarga real es de solo 4C. . Además, las baterías de litio se utilizan como sistemas cerrados de almacenamiento de energía con baja densidad de energía, y la descarga de alta potencia y el alto rango de crucero son básicamente difíciles de ser compatibles a menos que el peso de la batería aumente considerablemente. Aunque Tesla usa la batería ternaria de mejor densidad actual, sus componentes de batería pesan casi media tonelada.

Análisis de pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

Comparación de seguridad

Además de los indicadores anteriores, la seguridad es sin duda fundamental para los vehículos de motor. Como sistema de energía cerrado, las baterías de litio son difíciles de ser compatibles con, en principio, una alta densidad de energía y seguridad, de lo contrario son equivalentes a bombas. Por lo tanto, en la ruta del proceso principal, el fosfato de hierro y litio con baja densidad de energía es mejor en seguridad, y la descomposición comienza cuando la temperatura de la batería alcanza los 500-600 grados, y básicamente no requiere demasiada protección como equipo auxiliar. La batería ternaria que utiliza Telsa tiene una alta densidad energética, pero no es resistente a las altas temperaturas. Se descompondrá a 250-350 grados y tiene poca seguridad. La solución es conectar más de 7000 baterías en paralelo, lo que reduce en gran medida el riesgo de fugas de una sola batería e incluso la combinación de un dispositivo de protección de batería complejo. Y varios accidentes ocurrieron en el período anterior, aunque gracias al diseño de seguridad de Telsa, no hubo víctimas, pero en cuanto al accidente en sí, en realidad fue una colisión muy leve, y la carrocería no recibió ningún daño, pero la batería sí. en llamas. También refleja sus desventajas naturales en términos de seguridad.

Las pilas de combustible generalmente están preocupadas por su seguridad debido a la inflamabilidad y explosividad de las materias primas. Sin embargo, como hemos mostrado en la tabla a continuación, la seguridad del hidrógeno no es mala o incluso un poco mejor que la de los dos gases inflamables comunes para la gasolina y el gas natural. Hoy en día, los dispositivos de almacenamiento de hidrógeno del vehículo están hechos de materiales de fibra de carbono, que pueden salir ilesos en la prueba de colisión de múltiples ángulos de 80 km / h. Incluso si un accidente automovilístico causa una fuga, debido a la alta concentración de explosión de hidrógeno, generalmente comienza a arder antes de la explosión, pero es difícil explotar. Además, el gas hidrógeno es liviano y el hidrógeno en el sistema de desbordamiento aumentará rápidamente después del incendio, pero el cuerpo y los pasajeros están protegidos hasta cierto punto. La gasolina es líquida, la batería de litio es sólida, es difícil elevarse en la atmósfera, la combustión está en la parte inferior de la cabina y todo el vehículo se retirará rápidamente. El enlace de almacenamiento y transporte de hidrógeno es muy similar al GNL, pero la presión requerida es mayor. A medida que avanza la comercialización, su seguridad general aún es controlable.

El costo de los vehículos a batería se divide principalmente en costo del vehículo, costo de la materia prima y costo de apoyo. En la actualidad, el problema más común de las pilas de combustible es que el costo es demasiado alto, pero desde la perspectiva del desarrollo, a medida que avanza la tecnología y aumenta la comercialización, existe un gran margen para la reducción de costos. Si la batería de litio tiene en cuenta el costo de expansión de la capacidad en el extremo de la red, el costo de soporte general es aún mayor que el de la celda de combustible. El cálculo específico es el siguiente:

Comparación de costos de vehículos

baterías de litio, celdas de combustible y vehículos de gasolina tradicionales, la diferencia en los costos generales del vehículo se refleja principalmente en el costo del motor, y otros componentes no son muy diferentes. El costo de un motor de gasolina de 2 litros es de aproximadamente 30.000 yuanes, y es difícil cambiar mucho en el futuro. El costo actual de la electricidad de la batería de litio es de 1.200 yuanes / kWh, y se espera que baje a 1.000 yuanes / kWh en el futuro, vehículo eléctrico de 45 grados, el costo de la batería es de 45.000 yuanes. El costo de la celda de combustible es principalmente el paquete de baterías y el tanque de almacenamiento de hidrógeno a alta presión. Ahora la batería de 100kw se compone de 100.000 yuanes. Después de que se espera que la producción anual sea de 500.000 unidades, el costo unitario se reducirá a 30 dólares estadounidenses / KW, es decir, 20.000 yuanes. El costo del tanque de almacenamiento de hidrógeno existente es de 60.000 yuanes, y se espera que baje a 35.000 yuanes en el futuro, con un costo total de 55.000 yuanes. A largo plazo, el costo de los tres sistemas de energía no es muy diferente. Se puede ver que el costo de todo el vehículo no es el problema principal.

Comparación de costos de materias primas

El consumo de combustible de un automóvil de gasolina de 2 litros es de 10 litros cada 100 kilómetros y el precio de la gasolina es de 5,8 yuanes / l. El costo es de 58 yuanes. El automóvil con batería de litio consume 17 kilovatios por kilómetro y el costo es de 0,65 yuanes / kWh. El costo es de 11 yuanes. La pila de combustible consume 9 metros cuadrados de hidrógeno cada 100 kilómetros. El método de producción de hidrógeno se divide principalmente en agua electrolizada o reacción química, como la producción de hidrógeno a partir de carbón y la producción de hidrógeno a partir de gas natural. El costo del agua electrolizada es principalmente electricidad, con un promedio de 5 grados de electricidad y 1 cuadrado de hidrógeno. El costo es de aproximadamente 3.8 yuanes por cuadrado, pero se puede electrolizar directamente en la estación de reabastecimiento de hidrógeno, lo que ahorra costos de transporte. Si se utiliza la producción centralizada a gran escala de energía fósil, el costo interno más bajo es el de carbón a hidrógeno, que es de aproximadamente 1,4 yuanes / cuadrado. En América del Norte, el gas natural barato se puede utilizar a un coste de 0,9 yuanes por metro cuadrado. Si tomamos el costo del gas de carbón como estándar, el costo de las materias primas para 100 kilómetros es de 12,6 yuanes, que no es muy diferente de las baterías de litio.

Comparación de costos coincidentes

El costo de la estación de repostaje de hidrógeno, la estación de servicio y la estación de carga se divide principalmente en costo del terreno, costo del equipo y costo de construcción. La diferencia se refleja principalmente en el costo del equipo. La estación de servicio cuesta básicamente 3 millones de yuanes, la estación de carga cuesta 4,3 millones de yuanes y la estación de repostaje de hidrógeno se basa en los estándares japoneses actuales.

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