為什么中國和日本在發(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？

不管是鋰離子電池還是質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)，都是非常專業(yè)的高科技領(lǐng)域，涉及到多學(xué)科的綜合。筆者將從幾個(gè)不同的技術(shù)層面對鋰電和燃料電池進(jìn)行分析對比。

安全性

大型鋰離子動(dòng)力電池的BMS安全監(jiān)控主要是依據(jù)電芯溫度和電壓/電流的變化，鋰電池內(nèi)部的熱失控都是鏈?zhǔn)椒艧岙a(chǎn)氣化學(xué)反應(yīng)，也就是說留給BMS的控制時(shí)間極其短暫。而燃料電池系統(tǒng)的安全隱患則來自氫氣。

本質(zhì)上來說，PEMFC電堆的安全問題主要是物理過程(氫氣泄露與控制)，而鋰電動(dòng)力電池則是化學(xué)過程(鏈?zhǔn)椒磻?yīng))。

實(shí)事求是而言，不管是燃料電池系統(tǒng)還是鋰離子動(dòng)力電池，發(fā)生安全性事故的后果都是極其嚴(yán)重的。如果僅僅從控制的角度而言，筆者認(rèn)為，燃料電池在安全性影響因素的控制方面難度要低于鋰離子動(dòng)力電池。

能量密度

對比鋰離子動(dòng)力電池和燃料電池，鋰離子動(dòng)力電池能量密度進(jìn)一步提升的空間非常有限。如果從最基本電化學(xué)原理的角度思考，這個(gè)問題并不難理解，二次電池的能量密度增加并不遵循摩爾定律。

能量密度更高的新型化學(xué)電源體系目前還都處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化前景依然很不明朗。相對而言，PEMFC的能量密度問題并不是很突出，即便是通過最簡單的增加儲氫罐數(shù)量來保證續(xù)航里程，可操作性也相對比較容易。

從另一個(gè)角度進(jìn)行思考，二次電池必須向全密封系統(tǒng)發(fā)展而力求做到免維護(hù)(對鋰電而言至關(guān)重要)，而正是因?yàn)槎坞姵厥莻€(gè)密封系統(tǒng)，才決定了它的能量密度不可能很高。否則的話，一個(gè)密閉的高能體系跟炸彈又有什么區(qū)別？從最基本的能量守恒定律就講不通！

而燃料電池則是一個(gè)開放式系統(tǒng)，電堆只是電化學(xué)反應(yīng)場所而已，系統(tǒng)的能量密度主要取決于儲氫系統(tǒng)的儲存量。正因?yàn)槭莻€(gè)開放體系，燃料電池在能量密度上提高的潛力更大，并且先天具有更好的安全性，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)恰恰是任何一種二次電池都不具備的。站在電化學(xué)器件的角度，相較于二次電池，燃料電池是化學(xué)電源的一個(gè)更高的發(fā)展層次。

快充

相對于鋰離子動(dòng)力電池的快充難題，燃料電池加注氫氣的問題要容易不少。目前幾乎所有的FC-EV，都可以在三分鐘內(nèi)加滿氫氣。雖然三分鐘比常規(guī)的加油時(shí)間要長點(diǎn)，但相對于特斯拉6小時(shí)的普充/半小時(shí)的快充，三分鐘顯然不值一提。但是將鋰電的快充問題和燃料電池加氫進(jìn)行對比，在筆者看來并不恰當(dāng)。因?yàn)殡妱?dòng)汽車充電和電網(wǎng)的結(jié)合很容易，而燃料電池的加氫問題，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度遠(yuǎn)比建充電站要大得多。

功率

說到倍率性能，筆者這里再討論下鋰電和燃料電池的功率密度問題，因?yàn)楸堵蕦?shí)際上也就是功率問題。在技術(shù)上，鋰電可以采用一些工藝措施(比如將電極做得很薄或者增加導(dǎo)電劑含量等等)實(shí)現(xiàn)較大倍率充放電，但是這些技術(shù)措施必將犧牲電池的能量密度。也就是說從根本上而言，鋰電單體電芯是不可能同時(shí)兼具高能量密度和高功率密度的。

比如，A123的AHR32113單體電芯倍率性能非常優(yōu)異，在40C的超高倍率測試條件下的功率密度可以高達(dá)2.7KW/Kg，但其能量密度僅僅只有70Wh/Kg而已。又比如，iPhone6的軟包電芯能量密度已經(jīng)達(dá)到了250Wh/Kg的水平，但是它的倍率性能非常差只能夠在低于0.5C的低倍率充放電。

但是筆者要強(qiáng)調(diào)的是，燃料電池可以很容易同時(shí)兼具高能量和高功率特性，這正是其獨(dú)特的開放式工作原理決定的。PEMFC電堆是電化學(xué)發(fā)生的場所，其獨(dú)特的異相電催化反應(yīng)過程，使得不管是氫的電化學(xué)氧化還是氧的電化學(xué)還原，都可以在Pt/C催化劑表面獲得較高的交換電流密度。

事實(shí)上，目前Toyota和GM的新一代PEMFC電堆，在實(shí)際工況下(單電池0.6-0.7V)電流密度普遍接近1A/cm2的水平，比目前國內(nèi)廣泛使用的LFP動(dòng)力電池在1C倍率下的電流密度高出大約兩個(gè)數(shù)量級。

ToyotaMirai的PEMFC系統(tǒng)的能量密度超過350Wh/Kg，而功率密度已經(jīng)達(dá)到了2.0KW/Kg。相比之下，TeslaModelS的鋰離子電池系統(tǒng)的功率密度則只有0.16KW/Kg，整整比Mirai低一個(gè)數(shù)量級！

PEMFC電堆是單電池通過壓濾機(jī)方式組裝起來的，其功率可以通過增加單電池?cái)?shù)量而提升(非線性關(guān)系)。而PEMFC的能量密度則取決于儲氫系統(tǒng)的儲氫量，同樣也可以通過增加儲氫罐體積或者數(shù)量而獲得提升。

也就是說，PEMFC系統(tǒng)可以同時(shí)兼具高能量密度和高功率密度，而這個(gè)特點(diǎn)則是任何一種二次電池都不可能具備的，其根本原因在于封閉體系和開放式工作方式的本質(zhì)區(qū)別。而同時(shí)兼具高能量和高功率的工況特性，恰恰是現(xiàn)代汽車對動(dòng)力系統(tǒng)的最基本技術(shù)要求。