燃料电池(FC)是直接将燃料的化学能转变为电能吗？电池的能量密度越大体积也会越大吗？
来源：宝鄂实业
2019-04-14 16:56
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2.2燃料电池发电技术
燃料电池(FC)式直接将燃料的化学能转变为电能的装配。燃料电池发电效率高，功率可达600/o以上，若是高温燃料电池配和联合轮回，效率可达85%。而且，效率受燃料电池规模和负荷年夜小影响步年夜。燃料电池发电出力能快速跟踪负荷变化，速度可达每秒变化全负荷的500/o，调峰能力极强。
FC发电的重要优点是堆情况污染很小，由于没有燃烧进程，可以实现现实上的零排放。燃料电池另—达优点式省水。这对水资本缺少的我国而言极为重要。此外，燃料电池发电尚有适合散布式供电，节省输电投资，模块结构，便于扩建等等优点。
2.3灵活的多谢L输电技术
灵活的交流输电系统(FACTS)80年带后期泛起的新技术，近年来再全球E成长迅速。专家们预，未来这项技术将在电力输送和分配方面将引发重年夜变化，对于充实哄骗现有电网资本和实现电能的高效哄骗，将会阐扬重要作用。
所谓“灵活的交流输电技术”是指：采用年夜功率电子器件作为年夜功率高压开关，与其他电力装备组成FACTS装备，以实现对电力系统参数，如线路阻抗、相位角、功宰潮水的接连调理控制，从而年夜幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，下降输电消耗。
2.4电能贮存技术
电能贮存是实现电能高效哄骗的重要途径。除抽水蓄能方式之外，实用的储能系统要数电池储能(BESS)。它的焦点部件是蓄电池和GTO一类的器件组成的交直流变换器。电池蓄能系统既可作为旋转备用，也能够作为调峰和R局频电源，或直接安装在重要用户内，作为年夜型的不中断电源。同时，BESS还具有无功调理的功能。
2.5电能质量控制技术
电能的高效哄骗的一个重要内容是向用户提供靠得住的、优质的电能供给。现代社会的成长对提高供电的靠得住性，改善电能质量：提出了越来越高的要求。在现代企业中，由于变频调速驱支器、机械人、自动生产线、细密的加工工具的采用，由于可编程控制器、计较机信窟系统的日益普遍使用，对电能质量的控制提出了严酷的要求。这些装备对电源的波动和各类干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产物质量的下降，从而发生重年夜损失。
3现代电力电子技术新运用领域展看
1)机电系统节能，设计专用的机电与专用的电力电子控制装备，提高电能哄骗效率：2)电动车辆及充电站网络，电动汽车的运用已成为环保的—个重要课题，而其充电网络的建设还处于初步阶段，是以会有很年夜成长空间;3)中高压直流输配电系统，它有功率因数高、电网污染小、节电等优点：4)电能贮存装配，哄骗电力电子技术将电能贮存与蓄电池或超导线圈中，可以实现电能的存储，对不能电能的合理哄骗提供解决方案。
可以说，能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。不管是手机，还是电动汽车，人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级，使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。
从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池，能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言，相对于人类对能量的需求程度而言，显得太慢了。甚至有人戏言，人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然，如果哪一天能够实现全球电力无线传输，到哪儿都能“无线”获得电能（像手机信号一样），那么人类也就不再需要电池了，社会发展自然也就不会卡在电池上面。
针对能量密度成为瓶颈的现状，全球各国都制订了相关的电池产业政策目标，期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标，基本上都指向300Wh/kg这一数值，相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标，则要达到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，电池行业必须要有化学体系的重大突破，才有可能实现这一目标。
影响锂离子电池能量密度的因素有很多，就锂离子电池现有的化学体系和结构而言，具体都有哪些明显的限制呢？
前面我们分析过，充当电能载体的，其实就是电池当中的锂元素，其他物质都是“废物”，可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体，这些“废物”又是不可或缺的。举个例子，一块锂离子电池当中，锂元素的质量占比一般也就在1%多一点，其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天赋，看来这个道理放之四海皆准啊，1%是红花，剩下的99%就是绿叶，少了哪个都不行。
那么要提高能量密度，我们首先想到的就是提高锂元素的比例，同时要让尽可能多的锂离子从正极跑出来，移动到负极，然后还得从负极原数返回正极（不能变少了），周而复始的搬运能量。
1.提高正极活性物质的占比
提高正极活性物质占比，主要是为了提高锂元素的占比，在同一个电池化学体系中，锂元素的含量上去了（其他条件不变），能量密度也会有相应的提升。所以在一定的体积和重量限制下，我们希望正极活性物质多一些，再多一些。
2.提高负极活性物质的占比
这个其实是为了配合正极活性物质的增加，需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子，存储能量。如果负极活性物质不够，多出来的锂离子会沉积在负极表面，而不是嵌入内部，出现不可逆的化学反应和电池容量衰减。
3.提高正极材料的比容量（克容量）
正极活性物质的占比是有上限的，不能无限制提升。在正极活性物质总量一定的情况下，只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌，参与化学反应，才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高，也就是比容量指标要高。
这就是我们研究和选择不同的正极材料的原因，从钴酸锂到磷酸铁锂，再到三元材料，都是奔着这个目标去的。
前面已经分析过，钴酸锂可以达到137mAh/g，锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在120mAh/g左右，镍钴锰三元则可以达到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正极材料，并取得产业化进展。
4.提高负极材料的比容量
相对而言，负极材料的比容量还不是锂离子电池能量密度的主要瓶颈，但是如果进一步提升负极的比容量，则意味着以质量更少的负极材料，就可以容纳更多的锂离子，从而达到提升能量密度的目标。
以石墨类碳材料做负极，理论比容量在372mAh/g，在此基础上研究的硬碳材料和纳米碳材料，则可以将比容量提高到600mAh/g以上。锡基和硅基负极材料，也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级，这些都是当前研究的热点方向。
5.减重瘦身
除了正负极的活性物质之外，电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体材料等，都是锂离子电池的“死重”，占整个电池重量的比例在40%左右。如果能够减轻这些材料的重量，同时不影响电池的性能，那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。
在这方面做文章，就需要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体材料、制造工艺等方面进行详细的研究和分析，从而找出合理的方案。各个方面都改善一些，就可以将电池的能量密度整体提升一个幅度。
从以上的分析可以看出，提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程，要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手，寻找短期、中期和长期的解决方案。
燃料电池(FC)式直接将燃料的化学能转变为电能的装配。燃料电池发电效率高，功率可达600/o以上，若是高温燃料电池配和联合轮回，效率可达85%。而且，效率受燃料电池规模和负荷年夜小影响步年夜。燃料电池发电出力能快速跟踪负荷变化，速度可达每秒变化全负荷的500/o，调峰能力极强。
FC发电的重要优点是堆情况污染很小，由于没有燃烧进程，可以实现现实上的零排放。燃料电池另—达优点式省水。这对水资本缺少的我国而言极为重要。此外，燃料电池发电尚有适合散布式供电，节省输电投资，模块结构，便于扩建等等优点。
2.3灵活的多谢L输电技术
灵活的交流输电系统(FACTS)80年带后期泛起的新技术，近年来再全球E成长迅速。专家们预，未来这项技术将在电力输送和分配方面将引发重年夜变化，对于充实哄骗现有电网资本和实现电能的高效哄骗，将会阐扬重要作用。
所谓“灵活的交流输电技术”是指：采用年夜功率电子器件作为年夜功率高压开关，与其他电力装备组成FACTS装备，以实现对电力系统参数，如线路阻抗、相位角、功宰潮水的接连调理控制，从而年夜幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，下降输电消耗。
2.4电能贮存技术
电能贮存是实现电能高效哄骗的重要途径。除抽水蓄能方式之外，实用的储能系统要数电池储能(BESS)。它的焦点部件是蓄电池和GTO一类的器件组成的交直流变换器。电池蓄能系统既可作为旋转备用，也能够作为调峰和R局频电源，或直接安装在重要用户内，作为年夜型的不中断电源。同时，BESS还具有无功调理的功能。
2.5电能质量控制技术
电能的高效哄骗的一个重要内容是向用户提供靠得住的、优质的电能供给。现代社会的成长对提高供电的靠得住性，改善电能质量：提出了越来越高的要求。在现代企业中，由于变频调速驱支器、机械人、自动生产线、细密的加工工具的采用，由于可编程控制器、计较机信窟系统的日益普遍使用，对电能质量的控制提出了严酷的要求。这些装备对电源的波动和各类干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产物质量的下降，从而发生重年夜损失。
3现代电力电子技术新运用领域展看
1)机电系统节能，设计专用的机电与专用的电力电子控制装备，提高电能哄骗效率：2)电动车辆及充电站网络，电动汽车的运用已成为环保的—个重要课题，而其充电网络的建设还处于初步阶段，是以会有很年夜成长空间;3)中高压直流输配电系统，它有功率因数高、电网污染小、节电等优点：4)电能贮存装配，哄骗电力电子技术将电能贮存与蓄电池或超导线圈中，可以实现电能的存储，对不能电能的合理哄骗提供解决方案。
可以说，能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。不管是手机，还是电动汽车，人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级，使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。
从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池，能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言，相对于人类对能量的需求程度而言，显得太慢了。甚至有人戏言，人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然，如果哪一天能够实现全球电力无线传输，到哪儿都能“无线”获得电能（像手机信号一样），那么人类也就不再需要电池了，社会发展自然也就不会卡在电池上面。
针对能量密度成为瓶颈的现状，全球各国都制订了相关的电池产业政策目标，期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标，基本上都指向300Wh/kg这一数值，相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标，则要达到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，电池行业必须要有化学体系的重大突破，才有可能实现这一目标。
影响锂离子电池能量密度的因素有很多，就锂离子电池现有的化学体系和结构而言，具体都有哪些明显的限制呢？
前面我们分析过，充当电能载体的，其实就是电池当中的锂元素，其他物质都是“废物”，可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体，这些“废物”又是不可或缺的。举个例子，一块锂离子电池当中，锂元素的质量占比一般也就在1%多一点，其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天赋，看来这个道理放之四海皆准啊，1%是红花，剩下的99%就是绿叶，少了哪个都不行。
那么要提高能量密度，我们首先想到的就是提高锂元素的比例，同时要让尽可能多的锂离子从正极跑出来，移动到负极，然后还得从负极原数返回正极（不能变少了），周而复始的搬运能量。
1.提高正极活性物质的占比
提高正极活性物质占比，主要是为了提高锂元素的占比，在同一个电池化学体系中，锂元素的含量上去了（其他条件不变），能量密度也会有相应的提升。所以在一定的体积和重量限制下，我们希望正极活性物质多一些，再多一些。
2.提高负极活性物质的占比
这个其实是为了配合正极活性物质的增加，需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子，存储能量。如果负极活性物质不够，多出来的锂离子会沉积在负极表面，而不是嵌入内部，出现不可逆的化学反应和电池容量衰减。
3.提高正极材料的比容量（克容量）
正极活性物质的占比是有上限的，不能无限制提升。在正极活性物质总量一定的情况下，只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌，参与化学反应，才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高，也就是比容量指标要高。
这就是我们研究和选择不同的正极材料的原因，从钴酸锂到磷酸铁锂，再到三元材料，都是奔着这个目标去的。
前面已经分析过，钴酸锂可以达到137mAh/g，锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在120mAh/g左右，镍钴锰三元则可以达到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正极材料，并取得产业化进展。
4.提高负极材料的比容量
相对而言，负极材料的比容量还不是锂离子电池能量密度的主要瓶颈，但是如果进一步提升负极的比容量，则意味着以质量更少的负极材料，就可以容纳更多的锂离子，从而达到提升能量密度的目标。
以石墨类碳材料做负极，理论比容量在372mAh/g，在此基础上研究的硬碳材料和纳米碳材料，则可以将比容量提高到600mAh/g以上。锡基和硅基负极材料，也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级，这些都是当前研究的热点方向。
5.减重瘦身
除了正负极的活性物质之外，电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体材料等，都是锂离子电池的“死重”，占整个电池重量的比例在40%左右。如果能够减轻这些材料的重量，同时不影响电池的性能，那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。
在这方面做文章，就需要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体材料、制造工艺等方面进行详细的研究和分析，从而找出合理的方案。各个方面都改善一些，就可以将电池的能量密度整体提升一个幅度。
从以上的分析可以看出，提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程，要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手，寻找短期、中期和长期的解决方案。
