鉅大LARGE | 點擊量：873次 | 2021年10月14日
日本2040年燃料動力電池技術(shù)動態(tài)
NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu))公布了2040年日本國內(nèi)的燃料動力鋰電池目標(biāo)計劃，全部目標(biāo)包括：峰值功率工作電壓0.85V、電堆功率密度9kW/L、最大工作溫度120℃、耐久性大于15年、續(xù)航里程1000km、燃料動力鋰電池堆成本1000日元/kW。
峰值功率工作電壓0.85V
日本NEDO公布的燃料動力鋰電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料動力鋰電池堆最大負荷處對應(yīng)的工作電壓為0.85V@4.4A/cm2。下圖為日本NEDO在2017年公布的2040年燃料動力鋰電池堆棧性能路線圖，其中2030年目標(biāo)峰值功率工作電壓為0.66V@3.8A/cm2，催化劑擔(dān)載量0.05——0.1g/kW，0.2A/cm2電流密度對應(yīng)電壓0.84V；2040年目標(biāo)峰值功率工作電壓為0.85V@4.4A/cm2，催化劑擔(dān)載量0.03g/kW，0.2A/cm2電流密度對應(yīng)電壓1.1V。
日本燃料動力鋰電池堆性能路線圖(NEDO)
為獲得更高功率，提升燃料動力鋰電池單電池電壓是最基本的途徑，但會導(dǎo)致陰極電位新增，形成高電位(>0.85V)。在眾多影響燃料動力鋰電池壽命的因素中，高電位造成陰極催化劑衰減被認為是造成電堆性能衰減的重要因素。高電位會加劇催化劑氧化物的形成，不僅會降低催化劑Pt顆粒的活性，還會加劇Pt顆粒的降解。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
此外，高電位存在的條件下，載體碳材料容易被氧化，從而將Pt顆粒與碳載體之間的結(jié)合力減弱，使Pt顆粒脫落，導(dǎo)致催化劑顆粒在電解質(zhì)中融解，影響催化性能。更嚴重的是剝離后的Pt顆粒通過電解質(zhì)或粘接劑結(jié)合在一起，使得電解質(zhì)阻值增大。因此，開發(fā)價格低廉、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑顯得尤為重要。
電堆功率密度9kW/L
日本NEDO公布的燃料動力鋰電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料動力鋰電池堆功率密度目標(biāo)值為9kW/L。目前日本國內(nèi)，豐田和本田均已推出搭載峰值功率密度3.1kW/L電堆的燃料動力鋰電池汽車。但比較燃料動力鋰電池動力系統(tǒng)和燃油發(fā)動機體積可以看出，有必要進一步提高燃料動力鋰電池堆功率密度。
本田燃料動力鋰電池動力系統(tǒng)與燃油發(fā)動機比較
以本田為例，其最新一代燃料動力鋰電池汽車Clarity動力系統(tǒng)體積與V63.5L燃油發(fā)動機基本相當(dāng)，但電堆峰值功率為103kW，僅為V63.5L燃油發(fā)動機的一半。假如日本NEDO公布的燃料動力鋰電池堆目標(biāo)功率密度9kW/L可以實現(xiàn)，屆時(2040年)燃料動力鋰電池汽車動力系統(tǒng)功率密度有望超過燃油發(fā)動機，真正實現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車抗衡。
功率密度針對燃料動力鋰電池堆使用場合較多，含義為燃料動力鋰電池堆的峰值功率除以燃料動力鋰電池堆的體積(或質(zhì)量)。由于燃料動力鋰電池堆體積(或質(zhì)量)含義差別較大，通常燃料動力鋰電池堆功率密度可分為四層級別，分別為：活性面積層、電池組層、端板層和外殼層。
最大工作溫度120℃
日本NEDO公布的燃料動力鋰電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料動力鋰電池堆最大工作溫度目標(biāo)值為120℃。目前，日本豐田和本田燃料動力鋰電池堆工作溫度區(qū)間為75——80℃，電堆冷卻液進出口溫差在7——15℃。
豐田Mirai燃料動力鋰電池汽車主副散熱器位置
和傳統(tǒng)發(fā)動機類似，燃料動力鋰電池堆在工作狀態(tài)下會釋放大量熱量，需及時通過冷卻系統(tǒng)向外界散熱，以使燃料動力鋰電池堆工作在合理溫度區(qū)間。由傳統(tǒng)發(fā)動機知識可得，燃料動力鋰電池堆工作越高(溫差越大)，散熱能力越強(cmδT=Q)。
豐田Mirai燃料動力鋰電池系統(tǒng)主副散熱器示意
此外，通過提高單體電壓至0.85V以上，大大減少電化學(xué)反應(yīng)過程中出現(xiàn)的熱量，從源頭上減少熱量出現(xiàn)。因此，通過提高單體電壓(>0.85V)和電池工作溫度(120℃)，足以相信屆時燃料動力鋰電池溫度將輕松可控可調(diào)。
耐久性>15年
日本NEDO公布的燃料動力鋰電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料動力鋰電池汽車壽命超過15年。其中，燃料動力鋰電池乘用車壽命超15萬km，燃料動力鋰電池大巴壽命超75萬km，燃料動力鋰電池列車壽命超100萬km。
質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池耐久性與其每個部件息息相關(guān)，如質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層和雙極板。質(zhì)子交換膜的降解機制通常有兩種：機械降解和化學(xué)降解。機械降解指質(zhì)子交換膜工作濕度不斷發(fā)生變化，內(nèi)部出現(xiàn)較大的內(nèi)應(yīng)力，在周期性變化內(nèi)應(yīng)力用途下，質(zhì)子交換膜強度會降低，甚至形成孔洞，嚴重降低壽命。化學(xué)降解是燃料動力鋰電池在怠速和開路狀態(tài)下，電池內(nèi)部形成大量H2O2，假如電池內(nèi)部存在一些過渡金屬二價離子，在催化用途下，H2O2會轉(zhuǎn)變成活性很強的基團，加速膜降解。
由于陰極催化層電勢要比陽極高，大多數(shù)情況下陰極催化層電化學(xué)環(huán)境要比陽極催化層惡劣，因此陰極催化層更容易降解。通常催化層是由Pt/C催化劑和一定量的Nafion粘結(jié)而成，因此催化層降解重要指Pt/C催化劑降解和Nafion降解。碳載Pt催化劑的降解通常有四種機制：微晶遷移合并機制、電化學(xué)熟化機制、Pt融解且在離子導(dǎo)體中再沉積機制、碳腐蝕機制。催化層Nafion和質(zhì)子交換膜組成、結(jié)構(gòu)相似，因此降解機制和質(zhì)子膜類似。
氣體擴散層通常由擴散層基質(zhì)和微孔層組成。擴散層基質(zhì)通常由碳纖維或碳布經(jīng)疏水處理形成；微孔層由碳粉通過PTFE溶液粘結(jié)而成。通常認為氣體擴撒層的降解機制有兩種：機械降解和電化學(xué)降解。機械降解是在機械應(yīng)力、氣體和水沖蝕等用途下，PTFE脫落降低疏水性影響水氣傳輸性能，同時微孔層孔徑可能發(fā)生變化甚至部分脫落。電化學(xué)降解是高電勢條件下，氣體擴散層基質(zhì)中的碳纖維和微孔層中的碳顆粒發(fā)生氧化腐蝕，改變組成和結(jié)構(gòu)，影響性能和降低耐久性。
續(xù)航里程>1000km
日本NEDO公布的燃料動力鋰電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料動力鋰電池汽車續(xù)航里程超過1000km。目前，日本豐田Mirai和本田Clarity兩款燃料動力鋰電池汽車滿載儲氫質(zhì)量都為5kg(70Mpa)，在JC08工況下續(xù)航里程分別為650km、750km(豐田Mirai滿載儲氫容積122.4L，本田Clarity滿載儲氫容積141L)。
豐田Mirai燃料動力鋰電池汽車氫罐擺放位置
本田Clarity燃料動力鋰電池汽車氫罐擺放位置
JC08工況車速變化
燃料動力鋰電池汽車的續(xù)航里程重要和氫氣儲存壓力和體積相關(guān)。『燃料動力鋰電池干貨』了解到，在目前國際主流燃料動力鋰電池汽車已實現(xiàn)續(xù)航里程700-800公里的前提下，屆時1000km公里續(xù)航里程并不難。
燃料動力鋰電池堆成本1000JPY/kW
日本NEDO公布的燃料動力鋰電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料動力鋰電池堆成本目標(biāo)值為1000日元/kW，燃料動力鋰電池系統(tǒng)成本目標(biāo)值為2000日元/kW，氫瓶成本目標(biāo)值為10萬日元(注：上述成本目標(biāo)值均建立在年產(chǎn)量50萬套前提下)。
燃料動力鋰電池汽車目前最大的課題是燃料動力鋰電池組等專用部件的價格尚高，豐田與本田的燃料動力鋰電池汽車低成本方向略顯不同。豐田低成本方向是與旗下混合動力汽車共享電動部件，本田則是與旗下插電式汽車(PHEV)共用底盤。
豐田混合動力汽車年銷量超過100萬，通過在燃料動力鋰電池汽車中運用HEV的部件量產(chǎn)效應(yīng)來降低成本。如驅(qū)動馬達及逆變器采用了與車型級別接近的“雷克薩斯RX450h”相同的產(chǎn)品，鎳氫電池則采用了與中型轎車“凱美瑞”相同的產(chǎn)品。注意，豐田沒有讓Mirai與PHEV共用底盤，原因是2015年底導(dǎo)入的跨越車型級別可以共用部件的豐田TNGA(豐田新型全球架構(gòu))是從第四代普銳斯開始采用，Mirai問世比第四代普銳斯早一步。
本田Clarity燃料動力鋰電池汽車底盤
本田燃料動力鋰電池汽車采用的戰(zhàn)略是通過與旗下PHEV共用底盤來降低成本。PHEV用底盤，除了能將電池鋪設(shè)在地板下方之外，后座下面的氫罐也可以換成。當(dāng)然，本田FCV還實現(xiàn)了電動部件的通用化，如鋰離子電池組與旗下雅閣車型通用，驅(qū)動馬達與飛度EV通用。
