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【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十七期 深度 | 新兴电动汽车市场的电池和燃料电池分析

【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十七期 深度 | 新兴电动汽车市场的电池和燃料电池分析


2018-09-07 张江发展战略研究院

采编 | Paul

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上海人大人科学发展研究院)


宏观视野

深度 | 新兴电动汽车市场的电池和燃料电池分析

来源:旺材锂电|


当前的电动汽车几乎完全采用锂离子电池提供动力,但电动汽车在全球汽车市场占据主导地位尚有很长的路要走。


除政策支持外,电动汽车实现广泛应用还需要高性能和低成本的储能技术,这些储能技术不仅包括电池,还包括各种其他电化学装置。在此,我们对多种电池和在商业方面最具发展潜力的氢燃料电池进行综合评估。


本文将目前锂离子动力电动汽车分三个应用场景(或者说是市场)进行讨论,即“长距离交通”场景、“低成本交通”场景和“高利用率交通”场景,而锂离子电池在此三个应用场景中表现都不尽人意。要想改善电动汽车在此三个场景中的表现,这些电动汽车必须提升的技术特性包括比能量、成本、安全性和电网兼容性。我们将就这些性能方面有着不同侧重或组合的6大储能及能源转换技术在以上每个应用场景的情况进行比较分析或单独评估。本文的其余部分简要讨论了这些清洁能源技术的技术状况,以强调尚需攻克的技术壁垒。


【正文】


虽然早在19世纪初就有了电动汽车,但电动汽车(EV)的普及是近10年才开始。全球电动车的销量从2010年的不到10,000辆逐步上升到2016年的774,000辆,累计超过200万辆。汽车电汽化现在被视为几乎所有道路运输的主要低碳化途径。因对城市空气质量的担忧,一些国家提出了限制销售内燃机车辆(ICEV)和有电动车来替代内燃机车的计划。


从技术角度来看,电动汽车的成功可以归因于电化学储能技术的进步。锂离子电池单体电芯的比能从20世纪90年代的约90wh/kgcell增长到今天超过250wh/kgcell,这就使各种型号的汽车在标准工况下行驶更远的距离。


与此同时,锂离子电池组的成本已从超过1,000美元/kwh降至约250美元/kwh,使电动汽车价格降至消费者接受的水平。


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图1揭示了在遵照国际能源署(IEA)为将全球平均温升限制在1.75℃之内所提路径方案前提下电动汽车累计销售及其市场份额的变化情况。这个被称为摄氏2度情景(B2DS),要求到2060年,累计电动汽车销售额为18亿,电动汽车市场份额为86%。图1中左上角的小图表所示,2016年电动汽车累计销量约为200万辆,市场份额为0.2%,这表示当前全球电动汽车的使用还在初级阶段,要达到2060年的目标仍有极大的发展空间。


到目前为止,电动汽车的应用受政策措施的很大影响,例如财政激励措施、销售授权和免费充电等。虽然这些政策可能会刺激电动汽车的扩大使用,但在财政上不可持续性或许不可能将电动汽车的使用扩大到达到图1中规定的市场份额所需的水平。此外,锂电电动汽车由于其储能能力、安全性和可获得成本的这些固有的特性限制,不确定是否适用于任何汽车市场。


因此,能够为电动汽车驱动系统提供动力的技术是当前的重要关注点。


在此,我们评估了电池和氢燃料电池在改善电动汽车性能并降低电动汽车的成本方面的发展潜力。我们首先来全景描述一下锂离子电池驱动的电动汽车还没有实现很好的市场渗透的三个应用场景的情况,讨论若要电动汽车在这些市场场景中取得成功需要在能源技术方面进行提升的有哪些。


然后,我们比较和评估了五种电池的属性,这五种电池通常被认为有望替代锂离子电池在电动汽车上的应用。最后,我们提供了除氢燃料电池之外的每个电池的简要状态评估,并讨论了这些电池能满足新兴电动汽车市场技术需求的发展潜力。


新兴电动汽车市场中的储能技术壁垒


下面,我们就三个不同应用场景(即“长距离交通”、“低成本交通”和“高利用率交通”)对所需提升的储能技术的技术特性作一个概述。


“长距离交通”场景。行驶距离短或“行程焦虑”的技术问题常被看作是消费者不选择电动汽车的因素。也许是因为与其他发达地区相比,美国人的旅行距离要求更长而对公共交通的依赖程度更低,在美国,人们尤其希望电动汽车有更长的行驶里程。2016年的调查中,超过一半(54%)的美国消费者考虑购买电动车的行驶范围至少175英里(282公里),超过四分之一的美国消费者(29%)需要行驶范围375英里(604公里)的电动车。


尽管电动车能够将燃料成本降低三分之一,52%的受访者依然不能接受在汽油动力车的基础上多花费5000美元去购买电动汽车,而29%的受访者甚至连1000美金的额外费用也不愿支付。


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在图2中,是与普通燃油车进行对比,当前美国市场上销售的电动汽车续航里程及其高出同型号燃油车的价格(一下简称“溢价”)的对照比较情况。值得注意的是,每辆电动车的成本至少比其相同车型燃油车的平均车价高出5000美元。


虽然有其他因素像如低产量和额外的汽车特性,会提升电动车的成本,但就电动车行驶里程和价格溢价之间的正相关性可见,电池的成本为车辆成本增加的一大因素。对一款针对美国消费者的里程满足购买意愿车型(延续上文提到的消费者)调查绘制了一个需求边界曲线图标,图表显示52%-54%的美国消费者要求价格溢价和行驶范围低于上限要求的电动车,29%的美国消费者要求电动车的价格溢价和行驶范围低于要求下限。


该图表明,如果没有政府激励措施,目前可用的电动汽车甚至不能满足50%美国消费者的需求。


近来的预测显示,由于生产效率的进一步提高,到2030年或2040年,锂离子电池组模块的成本将降至接近70美元/千瓦时。如果调整2017年的电动车价格以反映这一趋势,三款车型(雪佛兰Bolt、现代Ioniq电动车和特斯拉Model 3)超过了美国50%的消费者需求门槛。然而,能反映这一价格趋势的的电动汽车仍远无法满足近30%的美国消费者的要求,甚至可能也无法满足其他的高度依赖汽车的国家的消费者。即使车辆价格中不考虑储能成本的因素,目前也没有一款电动车能满足这30%的美国消费者对于行驶里程的需求。


因此,在不增加成本的情况下显着改善电动车的行驶范围似乎是满足“长距离交通”市场需求的唯一方式。这就需要通过增加车辆存储的能量密度(Wh/ kg)来减轻车辆重量。然而,就锂电子电池来说,显着增加比能需要金属锂阳极材料、提升电池电压或减少安全组件等措施,所有这些出于对安全性的权衡是不可接受的。固态锂离子电池是安全引入锂金属和高压材料的最有可能的途径之一; 然而,迄今为止报道的电池,要么是具有不可接受的低面积容量(小于1 mAh /cm2,这意味着比最先进的锂离子电池更低的比能量),要么是不可接受的低循环寿命(20个循环或更少)。


即使是具有锂金属阳极的高度优化的锂离子电池实际上可能也不会超过350 Wh/ l cell。因此,需要采用具有更高比能、更低成本和更安全的替代电池的化学机制和储能技术来实现远程运输市场的电动化。


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“低成本交通”场景。电动汽车的价格与其对应的行驶里程,可能会成为车主越来越关心的问题。图3显示通过数据拟合手段对一组特定国家的汽车(包括电动车和传统燃油机汽车)注册数据所作的车型选择非线性分布分析结果。对于每增加一公里行驶里程,美国消费者愿意支付额外的21美元,而新兴国家(如中国、印度、巴西和印度尼西亚)的消费者平均只愿意多支付8.4美元。


图3揭示了与各个国家汽车价格对应的罗吉特模型消极因素,该因素衡量价格上涨而降低消费者购买汽车的意愿程度的指标。整体而言,新兴国家的消极因素明显高于美国。中国则是一个例外,数据表明更高的价格却惊人的增加了汽车购买的可能性。尽管如此,包括两轮车和三轮车在内的更便宜、更小巧的低速电动汽车在中国的高销量,与传统电动汽车(截至2016年,总销量超过2亿辆)相比,表明中国与印度、巴西和印尼一样,对低成本交通工具有着强烈的市场需求。


中国等新兴市场的电动汽车价格溢价与发达国家相似。随着新兴国家的工业化发展,低成本的交通运输市场预计将会迅速成长,但目前锂动力电动车明显不足。如果将图2中紧凑型和超小型汽车的电池能量与车辆行驶距离绘制成图,其斜率为0.19 kWh /km (表示每增加一公里里程的能耗)。对于新兴国家,平均支付意愿(如上所述为8.4美元/km)除以0.19 kWh /km,以获得大约45美元/kWh的储能成本目标。因此,开发一种成本低于45美元/kwh的电化学储存技术是在新兴市场实现运输电汽化的一个有价值的方向。


换句话说,成本低于45美元/Kwh的电化学储能技术对于新兴国家实现交通电汽化发展目标是可行的,或者说,与锂离子电池价格相当但比能量更高的其他技术也是可行的。


“高利用率交通”场景。与消费型的车辆相比,那些利用率更高的汽车(即投入使用的时间占比高)是导致气候变化和空气质量变差的一个重要因素。例如,2015年货运车辆占全球运输业二氧化碳排放量的三分之一左右,随着乘用车变得更加省油,这一比例在工业化国家中会进一步增加。因此,将公共交通和货物运输从传统车辆过渡到高利用率电动车这一挑战亟待解决。


高利用率对电动汽车中使用的储能技术的有更高的要求。首先,快速充电(例如,充电时长小于一小时)成为更重要的考虑因素,车辆充电所需的时间不应该对车辆的运行时间表造成影响。多个国家已经部署能够实现快充的锂离子电池电动巴士,并在公交站点专门为电动巴士设计了快充装置;


然而,这可能导致电池的衰减和安全问题的增加。多辆电动车的同时快速充电也会对电网的部件造成过大的压力,这就需要昂贵的技术升级。 因此,高利用率电动车与电网之间平稳的实现快速充电,是一个需要考虑的重要方面。


许多高利用率车辆(例如卡车,公共汽车和火车)的另一个关键特征是其相对于个人运输车辆的较大重量。锂离子电池组必须按比例调整到更大的尺寸,保证这些车辆行驶等同的距离。但较大电池组的低表面与体积比意味着散热较慢,往往也会导致电池的衰减和安全问题增加,甚至需要使用昂贵或有毒化学品的复杂冷却技术。因此,具有更高比能量和安全性更高的能量存储和转换技术(例如,非易燃材料)对于高利用率的电动车尤其具有吸引力。


多种可替代电化学技术评估


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前一节指出,对于续航里程更长、成本更低的电动汽车来说,增加比能或降低储能成本(与锂离子电池相比)至关重要,而快速充电、电网兼容性和安全运行对于高利用率的电动汽车至关重要。当然,锂离子电池表现出其他储能手段无法比拟的特性。


图4所示,比较了除锂离子电池外,其它几种被认为可用于电动汽车的储能技术的相关特点的比较。其中安全评级由电解质的类型(易燃或非易燃)、热失控风险机率和有毒或腐蚀性物质泄漏机率等决定。对每个电池的快速充电能力是根据其功率密度进行半定量评定,而对每个电池的电网兼容性是根据其能量转换效率进行半定量评定。由于能够在不中断电网传输的情况下实现氢气的快速传输,则氢燃料电池具有最高的快速充电和电网兼容性。


要注意的是,图4中氢气储能的特点(比能、能量密度和储能成本)不应该忽略掉氢燃料电池系统的质量、体积和成本等因素而直接与其他各种化学电池的能量特性进行比较。与其他普通电池不同的是,氢燃料电池组合的总能量(即储存的氢气总量)可以通过燃料电池的总功率单独增加。由于这种根本区别,氢燃料电池不包括在下面的分析中;氢燃料电池与锂离子电池的评估在一个独立的部分中。


图4中电池的某些衡量指标(即比能、能量密度和储能成本)来近似计算车辆里程(R V)、车辆总成本(C V,T)和电池组体积(Vol B),以便得到更实际的评估数据。每一个指标都是电池组能量(EB)的函数,分别由式(1)、式(2)、式(3)计算:


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其中ECEV(Wh/ kmkg)是车辆的能量消耗效率,MV(kg)和CV(US $)分别是车辆质量和车辆成本(不包括电池在内),CB(US $/ kWh)代表电池组成本,SEBC(Wh /kg)和EDBC(Wh/l)分别代表电池的重量比能量和能量密度,km,B和kvol,B(无单位)分别是电池组质量费用系数和体积费用系数。分配给每个电池的费用系数(见附表2)反映了每种电池运行所需的安全设备或空气管理设备(只针对金属空气电池)的配套水平。


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小型车辆(常见于需要低成本车辆市场)、中型车辆(常见于需要长距离车辆市场)和半挂车(代表高利用率市场)的结果分别列在图5的5a.b、5c.d和5e.f中。三种车型的数据在附表1、2和参考文献中可见。车辆成本作为行驶里程的函数,如图5a,c,e所示,直到每辆车的电池容量超过特定的空间限制。由于空间限制,铅酸电池(Pb-acid)和镍氢电池(Ni-MH)电池的低能量密度明显被看作是一个很大的缺点。相较于锂离子电池,成本较低的锂硫(Li-S)电池、锂空气(Li-air)电池和锌空气(Zn-air)电池在实现更长续航里程的潜力是显而易见的。


图5b、d、f所示为增加行驶距离(US$ /km )的成本,这可以与消费者愿意为增加行驶距离付费的调查结果相比较。从图5b可以看出,锂硫电池、锂空气电池和锌空气电池可以使微型汽车增加额外续航里程的成本大大接近于图3所示的新兴国家的平均支付意愿。


图6显示了使用图4中每个电池的能量和成本指标的上、下界限值,可以得出的中型汽车成本和里程组合的大致范围。从这里可以看出,锌空气电池具有适合最长距离交通场景的应用潜力,而锂硫电池则具有适合最低成本交通场景的应用潜力。但这种评估并未规定每块电池是否有足够的功率、日历寿命、能量效率和自放电率在电动汽车中正常运行。因此,图5和图6仅展示了每块电池化学成分对于降低成本和增加行驶里程的基本潜力。下面将详细讨论在消费者、商业和公共交通应用中实施这些技术的实用性的细节。


各种商用可充式电池


我们首先看两种目前商用的可充电电池,并将其作为锂离子电池的替代品进行评估。


铅酸电池。这是目前世界成本最低和应用最广泛的充电电池。但是,由于它们的比能和能量密度较低,因此对于低行驶里程电动汽车而言,它们仅比锂离子电池划算(图5)。此外,它们的体积大和循环寿命、比功率和能源效率低,往往使它们在新型低成本和低速自行车和车辆的选择中,不如锂离子电池更受到青睐。然而,铅酸电池的一些优点也使它具有吸引力,这就是它们在车辆电气化过程中的辅助作用。除了低成本外,还包括低温操作(低至-40°C)时更好的充电安全性和较低的自放电率。


因此,目前对铅酸电池的大部分应用是再生制动充电和混合动力汽车的发动机辅助。这需要电池能够在部分充电状态下存在多达数十万个高功率“微循环”。当传统的铅酸电池在高放电率时的,一个主要问题是负极上的绝缘硫酸铅晶体的不可逆生长,这将对其快充能力造成损伤。现已发现多种碳添加剂可以通过改善导电性、减缓硫酸盐晶体的增长速度以及引入电容行为来缓解高充电和放电速率这一问题。这些“铅碳”电池在低成本混合动力电动车概念中展现出了前景,随着动力的进一步改善,对于具有双能源的全电动低成本车辆可能具有吸引力。


镍氢电池。1989年,商业推广的镍氢电池是最常见的镍基电池,并且在大多数指标中比铅酸电池的性能更好。直到现在,它们还是混合动力电动汽车的常规选择,因此,该技术已经在再生制动充电和全电动制动方面得到了很好的优化。然而,镍和氢化物的储存金属成本较高,使它们比铅酸电池更昂贵;事实上,在锂离子电池成本降低之后,它们现在甚至比锂离子电池更贵。


由于锂离子电池具有更高的比能量、能量密度和循环寿命,而铅酸电池成本更低,镍氢电池似乎在新兴的电动汽车市场就毫无优势存在。然而,镍氢电池中使用的含水电解质和低活性金属使得它们本身更安全,并且它们良好的耐低温性可以使它们在寒冷气候下用于车辆启动。它们的安全性使他们可以被放置在更有冲击力的区域,比如车辆前端,这对于锂电池来说是危险的。镍氢电池替代结构部件和能量吸收材料被认为是一种降低车辆重量的创新性方法,从而使电动车可以行驶更长的里程。


其他几种新兴充电电池


下面我们来看看三种新兴且被普遍认为可用于电动汽车储能应用的电池技术。


锂硫电池。与典型的锂离子嵌入式阴极相比,硫阴极的成本低得多,这些电池的理论锂容量高出4.5倍,因此越来越受到人们的关注。不幸的是,硫阴极的许多特性对该电池的良好性能构成了障碍,像如循环时的体积变化、硫和硫化锂的低导电性,以及普通锂电池电解质中硫的相对高溶解度。这些问题导致低循环寿命和高自放电率,这都会对电动车的储能技术造成困扰。锂硫电池还必须包含一个锂金属阳极,以提供相对于锂离子电池更可观的比能量。锂金属阳极也存在一些问题,包括循环寿命短、快速充电能力差(由于锂枝晶形成和不可逆电解液消耗)、高自放电(由于多余的副反应)以及制造和运行中越来越多的安全问题。


为了解决上述困难,科研人员研究了含有与多孔碳或导电聚合物“容器”交织在一起的硫的电极,它可以抑制硫的溶解,同时适应体积膨胀,提高导电性,并在充电和放电过程中允许可逆的锂离子迁移。关于锂金属阳极,减少枝晶形成和减少副反应的大多数方法是用钝化层、涂层、隔膜或固态电解质保护阳极。这些技术的发展将促进更高的循环寿命和更高的容许电流,而不会造成比能和能量密度的损失,这些是很难达到的,因为迄今为止文献中的示范电池在实际电荷率和比能下都无法运行超过500个循环。


锂硫电池的能实现的最大实际比能600wh/kg和估计最低成本为36US$/kWh,对于锂电池来说是一个相当大的进步,这对于上文讨论的三种新兴电动车市场就具备了吸引力。除非它的循环寿命得到实质性的改善,否则锂硫电池对于高利用率的电动车并非是好的选择。另一方面,这对于偶尔进行长途行驶的消费型车辆可能是实用的,因为电池很少完全放电循环。很少有司机进行长途行驶(超过200km)而导致中等型号的锂硫电池深度放电;因此,频繁长途驾驶导致电池退化的顾虑应该比传统的里程焦虑(即无法长距离驾驶)要少得多。因此,在消费型电动车中锂硫电池可作为锂电池的有力替代者,因为它的成本较低,并降低了行驶里程的顾虑(图5)。


锂空气电池。这类电池使用大气中氧来产生电能,在比能和能量密度方面相较于锂硫电池有了进一步的改善。然而,它们的循环寿命却低很多,最多只有大概100个循环。改善它的循环寿命却遇到了很多问题,例如锂放电时的空气电极堵塞,高压充电引起的催化剂降解,空气中水分引起的锂金属副反应和电解质不可逆的分解等问题。此外,尽管对于锂空气电池的比功率和能量密度无法精确的评估,但由于空气电极的氧动力学不稳定,这些指标较先前讨论的电池可能更糟糕。


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此外,算上为保护电池免受空气中二氧化碳和水份破坏的装置,达到在汽车上应用水平的锂空气电池的最大能量密度为384wh/lsystem。这就限制了锂空气电池(相较于锂电池)的长途行驶能力(图6)。另一方面,此类电池的低成本和高比能仍对长距离和低成本电动汽车具有吸引力(图5)。然而,与锂硫电池不同,锂空气电池在实际操作中需要附加一个大功率电池,因为它们的比功率可能很差。


锌空气电池。锌空气电池尽管比锂空气电池比能低,但由于其技术更先进和更高的实际能量密度,因此更有可能在未来的电动汽车中使用。在锂离子电池出现之前的几十年中,可充电的锌空气电池被看作是实现车辆电气化的选择。与锂空气电池相似,它们较差的比功率和能效使它们无法成为电动车的主要动能选择;然而,应用在双电池的配置中,它们可能会很有前途。它们可以与高功率的铅碳电池相结合生产低成本的电动车,虽然它们需要更长的循环寿命以延长汽车的使用寿命。或者,它们可以作为主要由锂离子电池驱动的电动汽车的增程器来提升电动汽车的行驶距离;如果司机只是偶尔需要长途行驶,就使得它们的短寿命和低效率相对不那么重要了。尽管双电池概念会增加成本和技术复杂性,但就锌空气电池自身固有的安全性使其非常适合双电池配置,因为(像如镍氢电池)车内的物理空间限制较少。


这些成功的应用是基于可充电的锌空气电池更加耐用。提高含氧官能团催化剂和锌电极的循环稳定性,同时保持较高的比能和能量密度,这有利于提高电池的使用寿命。减少或消除空气电极中的碳也能改善锌空气电池的寿命,因为碳基空气电极即使在电池处于静止状态时也会受到碱性电解质的腐蚀。空气中二氧化碳在空气电极孔隙中形成碳酸盐,以及电解液的蒸发,这是锌空气电池长期使用面临的一大问题。对于增程器的应用,可以使用空气过滤器和可重新密封的通风口来解决这些问题。


氢燃料电池


氢是一种能量载体,可以从低碳能源中产生,并相对于大多数电池以高比能储存(图4)。 因此,在交通运输领域,氢燃料电池其脱碳的能力而被定为选择目标。2013年至2014年,现代、丰田和戴姆勒先后推出了第一款大规模生产的燃料电池电动汽车(fcev),该车采用聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。这些车辆相对于当前的纯电电动车(BEV)的优点包括行驶里程更长(超过500公里)和加油更快(重新填充氢气储罐3-5分钟)。但燃料电池电动车的总体部署仅占2016年电动汽车总销售额的一小部分(低于1万辆或少于0.5%),他们必须克服一些障碍,才能更好的被市场接纳。


燃料电池电动车购买价格高于传统汽车,是因为它们与纯电电动车相似,使用电化学电源。储氢罐和燃料电池系统使用的贵金属和设备,如铂、碳纤维、增湿器和热交换器,使其造价升高。随着制造量的增加,几乎所有这些部件的成本都将大幅下降,但铂族金属(PGM)催化剂因其稀缺性却是个例外。为了达到与混合燃料汽车类似的总PGM含量,燃料电池电动车必须将PGM负载降低到目前最先进水平的四分之一。这也体现了开发具有降低PGM水平和改进的效率和耐久性的催化剂的研究工作的重要性。


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图7a和图7b分别显示了中型车和半挂卡车车型的纯电动汽车和氢燃料电池汽车的成本对照。用氢气消耗效率代替了能耗效率,算上储氢罐和燃料电池系统的额外质量、体积和成本,普通的氢燃料电池汽车的里程、成本及其能源存储和转化系统的总体积等指标可用通过将前面方程(1)、(2)、(3)调整成下面公式(4)、(5)和(6)进行估算,这样就可以分别估算出氢燃料电池汽车的里程、车辆总成本以及电池组、电池系统和储氢罐的总体积了。


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其中MH2(kg)是储氢量,HCEV(kgH2/km*kg)是车辆的氢气能量转化效率,SEH2(kWh/kg)是氢的比能,MFC(kg /kW),PFC(kW),CFC(US $/ kW)和VFC(l)分别是燃料电池系统的质量,功率,成本,体积;MH T(kg),CH T(US $/ kWh)和VH T(l)分别是储氢罐的质量,成本和体积(详情请参阅附表3)。FCEV的成本与增加驾驶距离的关联度不高,因为增加行驶距离只需要增加储氢罐的尺寸、数量或压力,这比每千瓦时的锂离子电池组更轻、更便宜。然而,目前高成本的燃料电池系统使得传统FCEV比用于消费型汽车的BEV更昂贵(图7a)。根据以前预测看,消费FCEV和BEV的等成本交叉点将出现在低行驶里程;但近年来锂离子电池成本的急剧下降,以及长期预期成本更低,增加了等成本点。另一方面,在大部分实际行程(图6b)中半挂车的电气化似乎更适合用燃料电池系统而不是锂离子电池系统。当考虑到电池系统的附加重量(达到长距离行驶所需的重量)减少电池驱动的半挂车所能运载的总有效载荷时,这一点尤其正确。


一些新型的氢燃料电池汽车装备了一个更大的锂离子电池,它提供了(i)纯电池驱动的短程旅行和(ii)更大的动力辅助燃料电池,这可以使氢燃料电池更加小型化。这样的插电式混合动力氢燃料电池汽车的续航里程可以通过方程(7)进行估算,我们将式(1)和式(4)的组合进行了修改:


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由于燃料电池系统更小的尺寸,作为所储氢气质量(其他假设参数见附表 3)的函数,方程(7)的计算结果是更低的汽车成本和更长实际续航里程(如图 7a所示)。利用远期预测成本和 800 公里续驶里程,一辆中型插电式混合动力燃料电池汽车大概比同尺寸锂离子电池纯电动汽车便宜 5000 美元,而比同型号普通内燃机汽车贵 6000 美元,这使其对相当一部分美国消费者颇具吸引力(如图2 所示)。续驶里程达 2000 公里的混合动力氢燃料电池汽车也在开发之中。


目前,对于氢燃料电池汽车应用的一个较大的障碍是缺少氢气的运输和供应设施。氢气加注站(包括氢气的输送和生产)的成本在100万到1000万美元之间,这远大于电动车快充站(不到20万美元)的成本。因此,在短期内,氢燃料电池汽车和氢基础设施的发展最适合高利用率的商用车领域,在这一领域,在少数几个战略位置建立的氢气加注站就可以为预先规划好的、高利用率的行驶路线上的车辆提供服务,这就合理解释了其较高的成本。然而,大规模的升级电网以满足电动汽车的充电需求可能比安装氢燃料补给网络更昂贵。


推广氢燃料电池汽车使用的另一个考虑因素是其关于电池的能效。整个“绿色汽车氢循环”,包括通过水的电解、氢气的压缩(如有必要)的运输,以及氢在燃料电池中的转化为动力,以氢气的形式储存能量,其效率通常在25-30%左右(没有热量的回收和利用)。目前工业氢的使用率很高,尽管碳排放量也较高。相较之下,纯电动汽车的充电和行驶的总效率约为80%-85%,这意味着氢燃料电池汽车可能需要从电网获得2.5至3.5倍的能量才能驱动相同的距离。


但是,FCEV和BEV的运行总成本相比应该包括(i)升级目前的电网与建设氢基础设施的成本;(ii)考虑如何在电力需求低的时候储存满足高峰需求所需的过剩能源。在英国的一项该类研究表明,一个只依赖于用电力驱动终端应用(比如纯电动汽车)的电气化策略技术路线,其代价将是以氢气作为主要能源载体的(全尺寸车型)终端应用技术路线的三倍。同时也应该注意到,以碱性电解质和储氢相结合的技术路线有着各种其他商业化大规模应用技术的最低建设成本(以每千瓦时成本计算)。


最后,质子交换膜(PEM)燃料电池的耐用性是其成功应用的一个重要考量因素。特别是在“高使用率交通”市场领域,对氢燃料电池的一个重要考验就是其是否展示了可比拟现有内燃机汽车寿命的足够的耐用性。可喜的是,2辆质子交换膜(PEM)燃料电池大巴最近取得了 25000 小时以上的运行记录,这相当于4-6 年的使用寿命,符合美国能源部和联帮交通管理局制定的作为动力的氢燃料电池的寿命指标。乘用型燃料电池汽车也正接近 5000 小时的运行目标,而得益于在燃料电池与更大功率电池之间切换的优化方案,插电式混合动力燃料电池汽车的耐用性更高。


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展望


对各种(化学)电池和燃料电池的比能量、能量密度、成本、安全性和电网兼容性等性能进行(进一步)优化提升是它们在长距离、低成本和高使用率交通领域成功应用的必由之路。虽然没有任何技术适合所有的应用场景,然而本文中讨论的几种电池技术每一种都能适用于至少一个新兴的电动汽车市场(如图 8所示);高功率铅酸电池(铅碳电池)能够对低成本电动汽车用低功率、高比能电池形成(有益的)补充;而镍氢电池通过提供更多能量的同时替代结构及吸能组件的方式,可以提升锂离子电池电动汽车的续驶里程。


锂硫电池则可在长续驶里程和低成本交通领域完全替代锂离子电池。而锌空气电池和锂空气电池也可在这些应用领域作为“增程器”发挥作用。最后来说说氢燃料电池,其“快充”和“电网友好”的自然特点非常适合高使用率交通场景,


而氢气的高比能和高能量密度也使其在长续驶里程电动乘用车领域非常有吸引力。尽管锂离子电池在一些电动汽车应用领域有着以上诸多性能的最佳组合,但是,考虑将各种不同的化学电池和氢燃料电池有目的的进行组合来驱动电动汽车的办法不失为通往真正清洁低碳交通之路的高可行性过渡手段。




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