2012年,國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》,該規(guī)劃明確了我國(guó)新能源汽車的發(fā)展將以鋰離子電池純電動(dòng)汽車(LIB-EV)為主要方向。最近幾年,鋰離子電池純電動(dòng)汽車在我國(guó)已經(jīng)成為新能源汽車的絕對(duì)主流路線,鋰離子電池已經(jīng)一統(tǒng)我國(guó)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池市場(chǎng)。
2014年12月,全球第一大汽車公司豐田汽車(Toyota)正式推出了全球首款量產(chǎn)型燃料電池(PEMFC)電動(dòng)汽車Mirai(FC-EV)。緊跟其后,本田汽車(Honda)也在2015年下半年發(fā)布了其新一代燃料電池汽車FCV Clarity。之后,日本日產(chǎn)(Nissan)、韓國(guó)現(xiàn)代汽車(Hyundai)、美國(guó)通用汽車(GM)、德國(guó)寶馬(BMW)和大眾(VW)也都在近兩年陸續(xù)發(fā)布了各自的燃料電池電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃。
我們可以看到,中國(guó)與日本(實(shí)際上也包括韓國(guó)和歐美主流車企)在純電動(dòng)汽車發(fā)展方向上選擇了不同的技術(shù)路線。面對(duì)Toyota、Honda和Hyundai燃料電池汽車(FC-EV)小批量商業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí),我們當(dāng)下首先需要認(rèn)真思考的是為什么中國(guó)和日本在發(fā)展純電動(dòng)汽車方面選擇了不同的技術(shù)路線?或者說(shuō)鋰離子電池和燃料電池到底哪種動(dòng)力系統(tǒng)更加合適純電動(dòng)汽車?
從本質(zhì)上上而言,包括鋰離子電池在內(nèi)的二次電池是一種能量存儲(chǔ)裝置,通過(guò)可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。而燃料電池(PEMFC)則是一種電能生產(chǎn)裝置,它通過(guò)電催化反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來(lái)。雖然燃料電池也叫“電池”(中文翻譯的原因),但是它的基本工作模式卻與內(nèi)燃機(jī)有些相似,跟常規(guī)二次電池有著本質(zhì)上的區(qū)別。這兩種電化學(xué)電源體系工作方式上的本質(zhì)不同,將直接決定它們?cè)趹?yīng)用層面上的不同定位。
當(dāng)前,我國(guó)在電動(dòng)汽車動(dòng)力源(動(dòng)力電池)的選擇上基本上是將鋰離子電池作為唯一的選擇,并且國(guó)內(nèi)鋰電界也一直盛行著這“鋰離子電池會(huì)取代其它二次電池一統(tǒng)江湖”或者“鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛是萬(wàn)能電池”這樣的奇談怪論。
筆者認(rèn)為這里有必要澄清一些關(guān)于鋰離子電池的基本認(rèn)識(shí)。在筆者看來(lái),鋰離子電池存在兩大挑戰(zhàn),使其難以成為大中型交通工具的主動(dòng)力源:安全性的困境和能量密度的瓶頸。
安全性的困境:首先筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是,從最基本的熱力學(xué)角度而言,現(xiàn)有的鋰離子電池體系在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的,它之所以能夠穩(wěn)定工作是因?yàn)檎龢O和負(fù)極表面的鈍化膜在動(dòng)力學(xué)上隔絕了高活性的正負(fù)極材料與電解液的進(jìn)一步反應(yīng),而由于各種因素引發(fā)的熱失控則是破壞正負(fù)極表面鈍化膜最直接原因,這個(gè)科學(xué)問(wèn)題對(duì)客觀認(rèn)識(shí)鋰離子電池的安全性將是至關(guān)重要的。
任何一種商品化的二次電池,都需要有效的防過(guò)充措施來(lái)保證電池達(dá)到完全充電態(tài),并且避免不適當(dāng)?shù)倪^(guò)充帶來(lái)的安全性問(wèn)題。不論是水系的還是有機(jī)系的二次電池,其充電安全性都是建立在正極限容(負(fù)極容量過(guò)剩)這一基本原則之上的。如果這個(gè)前提消失,過(guò)充的后果就是水系二次電池產(chǎn)氫,對(duì)于鋰離子電池而言則是負(fù)極析鋰。
但是,各種水系二次電池可以有效地利用水的分解反應(yīng)從而采用“氧循環(huán)”的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)充保護(hù)。雖然水系二次電池由于水的分解電壓而限制了其能量密度的進(jìn)一步提升,但是不要忘了水也為水系二次電池提供了一個(gè)近乎完美并且無(wú)可替代的防過(guò)充解決方案。而在鋰離子電池中,負(fù)極一旦析出高活性金屬鋰,由于金屬鋰無(wú)法在電池內(nèi)部消除而必將產(chǎn)生安全性問(wèn)題。
所以,從某種意義上而言,鋰離子電池在安全性問(wèn)題上是無(wú)解的!通過(guò)一些技術(shù)措施的綜合應(yīng)用,如熱控制技術(shù)(PTC 電極)、正負(fù)極表面陶瓷涂層、過(guò)充保護(hù)添加劑、電壓敏感隔膜以及阻燃性電解液等都可以有效改善鋰電的安全性,但是這些措施都不可能從根本上解決鋰電的安全性問(wèn)題,因?yàn)殇囯娫跓崃W(xué)上就是不穩(wěn)定體系。
另一方面,這些措施不僅增加了成本,而且也降低了電池的能量密度。限制動(dòng)力電池單體電芯的容量,仍然是緩解安全性的一個(gè)必要措施。筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是,BMS并不能解決鋰離子動(dòng)力電池的安全性問(wèn)題,這是由BMS基本工作原理所決定的。
如果我們綜合考慮上述因素就會(huì)明白,鋰電的“安全性”只是相對(duì)意義上的。近幾年,國(guó)內(nèi)鋰電界一直彌漫著鋰離子電池將一統(tǒng)江湖而取代其它二次電池的論調(diào),僅僅從安全性的角度而言,這種論調(diào)無(wú)疑就是荒謬可笑的。
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