什么是燃料电池？苹果iPad未来将用燃料电池吗？

来自英国每日邮报的消息称，苹果正在与电力技术公司Intelligent Energy合作，苹果希望未来几年内在设备中集成燃料电池。每日邮报的消息来自于美国，不过准确性不一定。燃料电池允许笔记本电脑和iPad续航时间持续多天，甚至几周。

 

报告中提到，Intelligent Energy公司的董事会中有苹果计算机产品专家Joe O’Sullivan，公司位于San Jose的新办公室距离苹果Cupertino总部并不远。在公司的网站上，Intelligent Energy提到主要为汽车、分布式电源和发电，以及消费电子产品提供解决方案。公司将消费电子产品的技术描述为风冷燃料电池系统，可以使用低能耗风扇提供冷却，并使用氧化剂保持运行。

 

Intelligent Energy旗下的产品还包括UPP，这是一款可更换燃料电池的移动电源。虽然很多传言都提到苹果可能会在移动设备中集成太阳能电池或燃料电池系统，但没有任何证据显示苹果正在测试集成这些技术的设备。苹果数据中心已经用上了燃料电池和太阳能电池，不过移动设备何时能用上这些技术还不能确定。随着动力电池能量密度的不断提升，传统的三元材料NCM622逐渐无法满足高能量密度动力电池的设计需求，因此Ni含量更高的NCM811材料的应用逐渐普及，我们知道在三元材料NCM和NCA材料中Ni的含量直接决定了材料的可逆容量，这主要是因为在充放电过程中Ni有两个价态变化：Ni2+／Ni3+，以及Ni3+／Ni4+，因此当Ni的含量达到0.8时NCM材料的可逆容量能够达到190-200mAh/g，基本满足300Wh/kg高比能电池的设计需求。然而人们对高比能动力电池的追求是永无止境的，例如美国提出的“Battery 500”计划，就是要开发出能量密度达到500Wh/kg以上的下一代锂离子电池，因此人们也在不断的对容量更高的正极材料进行研究，例如推出Ni含量达到0.9的NCA和NCM，以及NCMA材料【1】，使得正极材料的可逆容量达到220mAh/g以上。

 

然而，通过提高Ni含量提高正极材料的容量方法并不能够彻底解决正极材料容量偏低的问题，这主要是因为随着Ni含量的增加，会导致高Ni材料的稳定性变差：一方面高氧化性的Ni4+会引起正极／电解液界面的稳定性降低，引起电解液的氧化分解；另一方面Ni含量的提高还会造成材料自身的结构稳定性变差，导致材料的循环性能加速衰降，这些因素都限制了三元材料中的Ni继续提高。

 

由于上述因素的限制，目前高镍材料可逆容量的提升已经逐渐进入了一个瓶颈期，那么继续提升正极材料可逆容量的路在何方呢？要解答这个问题我们就首先需要了解锂离子电池的工作原理，我们知道在锂离子电池充电的过程中Li+会从正极脱出，经过电解液扩散后到达负极表面，嵌入到石墨负极之中，为了维持电荷的中性环境，因此正极还要给出一个电子，经过外电路到达负极的表面，而如何给出这个电子恰恰是影响正极材料容量的关键。通常正极材料中的过渡金属元素对外层电子的束缚较弱，因此更容易给出电子，例如NCM材料中的Ni元素从Ni3+转变为Ni4+就是由于充电的过程中Ni元素提供了一个电子，过渡金属元素提供电子的好处是可逆性强，因此材料的循环性能通常也比较优良。但是，过渡金属元素提供电子也存在一个严重短板——过渡金属元素原子序数通常比较大，因此也就导致正极材料的比容量通常比较低。