锂电和燃料电池低温性能与可靠性的比较分析

编者按

低温对锂离子动力电池和PEMFC电堆的影响是很不一样的。相对而言，低温对锂离子电池性能的负面影响更大一些。

2.4 锂电和燃料电池低温性能比较

由于汽车使用地域的广泛性，低温性能是动力电池必不可少的技术指标。锂电的低温性能主要取决于温度对电极材料的电导、离子扩散系数以及电解液电导率的影响。低温下电解液的粘度增大电导率下降，导致电池极化急剧增加。一般而言，锂离子电池的性能在接近零度是急剧下降，-20 oC就几乎不能正常工作了。低温下频繁充放电会严重恶化动力电池的寿命，并且容易导致负极析锂而带来安全隐患。一般而言，针对锂离子动力电池低温性能的改进措施会对其它一些技术指标比如循环性和能量密度等带来较大的负面影响，并且导致电芯成本的攀升。

PEMFC的低温问题称之为冷启动。冷启动要求FC-EV在冰点以下的环境中，停机以后可以在一定时间内重新启动。由于在低温环境下，PEMFC电堆内会产生阻止电化学反应的冰，因此冷启动是FC-EV商业化的技术瓶颈之一。但是PEMFC一旦启动以后，由于自身放热，即使是在很低的环境温度下电堆的温度也会很快稳定在80-90oC的正常工作温度范围，这是PEMFC和锂电工作方式上的一大不同之处。

PEMFC冰点以下的冷启动问题已经有不少理论和试验数据。目前， Daimler-Benz已经做到了-25 oC 启动，Toyota，Nissan 和Honda已经做到了-30 oC 启动，而对普通汽车冷启动的目标是-40 oC ，因此FC-EV仍然需要进一步提升冷启动能力。

从上面的分析我们可以清楚地看到，低温对锂离子动力电池和PEMFC电堆的影响是很不一样的。相对而言，低温对锂离子电池性能的负面影响更大一些。

2.5. 锂离子电池和燃料电池的可靠性比较

电池的可靠性指的是电池发生事故导致其丧失电能存储能力的概率。 锂电的可靠性与其安全性问题有很大的关联，但非同一个概念。锂电发生安全性事故，必然导致其丧失电能存储能力。但锂电丧失电能存储能力并不是都是因为发生安全性事故，比如由于容量“跳水”导致的电池失效。

动力电池系统将成百上千个单体电芯通过串并联组装在一起，整个电池系统的可靠性将被急剧放大。从目前国内纯电动汽车所积累的很有限的使用数据来看，大型动力电池系统的可靠性相对而言还不能令人满意。锂离子电池可靠性问题的根源在于前面讨论过的安全性影响因素，而这几个因素则是由嵌入式反应的本质特征所决定的。

在讨论PEMFC可靠性问题之前，我们先看看燃料电池的实际应用情况。PEMFC实际上是在AFC（碱性燃料电池）的技术基础上发展起来的。而AFC则是为宇航飞行量身定做的动力源，上世纪七十年代美国联合技术公司（UTC）首先将AFC电堆应用于美国航天飞机而取得了成功，之后美国国际燃料电池公司（IFC）生产的第三代AFC（标称/极限功率7.0/12.0 KW）后来成为美国航天飞机的标准动力源，可见燃料电池技术本身具有极高的可靠性。

另外一个大规模使用蓄电池的军工领域就是常规潜艇。常规潜艇采用高能电池系统可以大大增加其水下活动时间，无疑极具战术价值。目前世界各国现役的常规潜艇的动力蓄电池几乎都是采用铅酸电池，国际上还没有锂离子电池在现役常规潜艇（主动力蓄电池）或者核动力潜艇（辅助蓄电池）上装艇的案例（“雷天生命源稀土锂离子电池”不在笔者讨论范畴）。

西方军事列强至今没有在其新一代常规潜艇上列装锂离子动力电池系统的根本原因显然不是出于价格考量，而主要是因为大型锂离子动力电池在可靠性尤其是安全性方面存在较大的隐患，并不能满足潜艇苛刻的使用环境。至于之前有媒体报道的日本最新型的“苍龙”级常规潜艇上将首次使用锂离子电池，后来澄清由于技术和预算问题而放弃，而日本下一代常规潜艇已经确定将使用PEMFC作为AIP（不依赖空气推进装置）动力。

目前全球正在或者即将服役的AIP常规潜艇大多采用PEMFC作为主动力电池系统。1987年，德国海军使用西门子公司（Siemens）的AFC电堆，成功改造了一艘206级试验艇，使其成为全球第一艘具备实战能力的燃料电池AIP潜艇。之后，德国连续发展了212和214两级AIP潜艇（PEMFC 电堆由Siemens和HDW联合开发，2×120 KW），目前已发展到最新型的216级。

俄罗斯、韩国、澳大利亚、以色列和意大利的新型常规潜艇都采用PEMFC燃料电池AIP技术。我们可以想象，按照军品对可靠性和安全性的极高要求，大型PEMFC电堆单纯就技术层面而言已经发展到了高度完善可靠的程度。而事实上，我们从AFC和PEMFC的发展历程来看，燃料电池从一开始就是定位在大型“动力电池”而发展起来的，这跟锂离子电池从小型的手机电池一步步发展到大型动力电池的道路是完全不一样的。

以上我们从几个最主要的技术层面对锂离子电池和燃料电池进行了对比分析。正如笔者在开篇就指出的，二次电池是一个电能存储装置，而燃料电池则是一个电能生产装置，这个最本质的差别就决定了两者在应用领域的不同定位。二次电池和燃料电池还有一个很大不同之处，就是包括锂离子电池在内大型二次电池其单体电芯的能量密度要比采用相同电化学体系的小电池能量密度降低很多，具体原因笔者前面已经讨论过。

而燃料电池则正好相反，由于可以有效使用辅助系统改善传质、增湿、排水以及温度等方面，大型燃料电池系统的功率密度要远优于微小型燃料电池，这正是为什么航天飞机和AIP潜艇首选大型燃料电池作为其电力供应系统主动力源的原因。燃料电池和二次电池诸多不同特点，就决定了二次电池适用于中小功率的储能用途，而燃料电池则更适合较大功率的应用。

因此笔者个人认为，锂离子电池在乘用车上的定位是辅助动力装置，HEV和PHEV以及小型纯电动车是其主要应用领域。而PEMFC燃料电池从一开始就是作为大型动力源发展起来的，是名副其实的“动力电池”。