技术论剑：锂离子动力电池VS燃料电池

    面对燃料电池汽车量产的现实，业内需要认真思考的是为什么中国和日本在发展纯电动汽车方面选择了不同的技术路线？或者说锂离子电池和燃料电池到底哪种动力系统更加合适纯电动汽车？

    不管是锂离子电池还是质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC)，都是非常专业的高科技领域，涉及到多学科的综合。笔者将从几个不同的技术层面对锂电和燃料电池进行分析对比。

    安全性

    大型锂离子动力电池的BMS安全监控主要是依据电芯温度和电压/电流的变化，锂电池内部的热失控都是链式放热产气化学反应，也就是说留给BMS的控制时间极其短暂。而燃料电池系统的安全隐患则来自氢气。

    本质上来说，PEMFC电堆的安全问题主要是物理过程(氢气泄露与控制)，而锂电动力电池则是化学过程(链式反应)。

    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。如果仅仅从控制的角度而言，笔者认为，燃料电池在安全性影响因素的控制方面难度要低于锂离子动力电池。

    能量密度

    对比锂离子动力电池和燃料电池，锂离子动力电池能量密度进一步提升的空间非常有限。如果从最基本电化学原理的角度思考，这个问题并不难理解，二次电池的能量密度增加并不遵循摩尔定律。

    能量密度更高的新型化学电源体系目前还都处于基础研究阶段，产业化前景依然很不明朗。相对而言，PEMFC的能量密度问题并不是很突出，即便是通过最简单的增加储氢罐数量来保证续航里程，可操作性也相对比较容易。

    从另一个角度进行思考，二次电池必须向全密封系统发展而力求做到免维护(对锂电而言至关重要)，而正是因为二次电池是个密封系统，才决定了它的能量密度不可能很高。否则的话，一个密闭的高能体系跟炸弹又有什么区别？从最基本的能量守恒定律就讲不通。

    而燃料电池则是一个开放式系统，电堆只是电化学反应场所而已，系统的能量密度主要取决于储氢系统的储存量。正因为是个开放体系，燃料电池在能量密度上提高的潜力更大，并且先天具有更好的安全性，这个优点恰恰是任何一种二次电池都不具备的。站在电化学器件的角度，相较于二次电池，燃料电池是化学电源的一个更高的发展层次。

    快充

    相对于锂离子动力电池的快充难题，燃料电池加注氢气的问题要容易不少。目前几乎所有的FC-EV，都可以在三分钟内加满氢气。虽然三分钟比常规的加油时间要长点，但相对于特斯拉6小时的普充/半小时的快充，三分钟显然不值一提。但是将锂电的快充问题和燃料电池加氢进行对比，在笔者看来并不恰当。因为电动汽车充电和电网的结合很容易，而燃料电池的加氢问题，基础设施建设难度远比建充电站要大得多。

    功率

    说到倍率性能，笔者这里再讨论下锂电和燃料电池的功率密度问题，因为倍率实际上也就是功率问题。在技术上，锂电可以采用一些工艺措施(比如将电极做得很薄或者增加导电剂含量等等)实现较大倍率充放电，但是这些技术措施必将牺牲电池的能量密度。也就是说从根本上而言，锂电单体电芯是不可能同时兼具高能量密度和高功率密度的。

    比如，A123的AHR32113单体电芯倍率性能非常优异，在40C的超高倍率测试条件下的功率密度可以高达2.7 KW/Kg，但其能量密度仅仅只有70 Wh/Kg而已。又比如，iPhone 6的软包电芯能量密度已经达到了250 Wh/Kg的水平，但是它的倍率性能非常差只能够在低于0.5 C的低倍率充放电。

    但是笔者要强调的是，燃料电池可以很容易同时兼具高能量和高功率特性，这正是其独特的开放式工作原理决定的。PEMFC电堆是电化学发生的场所，其独特的异相电催化反应过程，使得不管是氢的电化学氧化还是氧的电化学还原，都可以在Pt/C催化剂表面获得较高的交换电流密度。

    事实上，目前Toyota和GM的新一代PEMFC电堆，在实际工况下(单电池0.6-0.7V)电流密度普遍接近1A/cm2 的水平，比目前国内广泛使用的LFP动力电池在1C 倍率下的电流密度高出大约两个数量级。

    Toyota Mirai 的PEMFC系统的能量密度超过350Wh/Kg，而功率密度已经达到了2.0 KW/Kg 。相比之下，Tesla Model S的锂离子电池系统的功率密度则只有0.16 KW/Kg，整整比Mirai低一个数量级！

    PEMFC电堆是单电池通过压滤机方式组装起来的，其功率可以通过增加单电池数量而提升(非线性关系)。而PEMFC的能量密度则取决于储氢系统的储氢量，同样也可以通过增加储氢罐体积或者数量而获得提升。

    也就是说，PEMFC系统可以同时兼具高能量密度和高功率密度，而这个特点则是任何一种二次电池都不可能具备的，其根本原因在于封闭体系和开放式工作方式的本质区别。而同时兼具高能量和高功率的工况特性，恰恰是现代汽车对动力系统的最基本技术要求。<