不同的特性
現(xiàn)已廣泛使用的鋰離子電池，是繼承原來的優(yōu)點克服了缺點而逐步發(fā)展而來的。鋰電池的負(fù)極材料是金屬鋰，正極材料為金屬氧化物，按照命名規(guī)定稱這種電池為鋰電池。由于金屬鋰的化學(xué)性質(zhì)特別活潑，為電池的安全性帶來一定的隱患。為了解決安全問題又利用鋰電極的電極電位高的優(yōu)點，鋰離子電池就應(yīng)運而生了。鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰或氧化錳鋰（又稱鈷酸鋰或錳酸鋰）還有一種是磷酸鐵鋰，負(fù)極材料是碳，其原理都是通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極炭材料中的嵌入與遷出來實現(xiàn)電池的充放電過程。
與傳統(tǒng)的化學(xué)電源相比，鋰電池具有比能量大、工作溫度范圍廣、儲存性能好、電壓高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點。鋰電池的工作原理就是指其充放電原理，當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳，呈層狀結(jié)構(gòu)有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔里，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣道理，當(dāng)對電池放電時，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極，回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。不難看出，鋰離子電池充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運動狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端比喻為電池的兩極，而鋰離子就象是優(yōu)秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑，所以專家們又給鋰電池起了一個可愛的名字——搖椅式電池。
由于上述特點，鋰電池一直是近年來大力開發(fā)的高技術(shù)熱點之一。從熱力學(xué)的角度上講，鋰能夠與所有的有機物反應(yīng)。在鋰一次電池中，金屬鋰的穩(wěn)定性來自于鋰與電解質(zhì)反應(yīng)生成金屬鋰表面的鈍化膜（SEI）。然而對于鋰二次電池，由于反復(fù)地充放電，在電池中生成高活性表面的鋰枝晶，與鋰一次電池中金屬鋰在放電過程中逐漸被消耗掉是不一樣的。1990年初，索尼能源技術(shù)公司報道了以碳材料為負(fù)極，過渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2為正極的鋰離子二次蓄電池體系。由于這種電池的正負(fù)極均為嵌鋰化合物，避免了金屬鋰在反復(fù)充放電時表面形貌變化引起的循環(huán)性不良和安全性差等問題。鋰二次電池按所用的電解質(zhì)類型可分為有機電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)（高聚合物電解質(zhì)）、無機電解質(zhì)和熔鹽電解質(zhì)四類。該電池除了采用富鋰材料作正極外，首次提出采用能夠插鋰的石油焦作為負(fù)極材料，使鋰離子電池具有全新的發(fā)展。
自從鋰離子電池投放市場以來，一直集中于小型便攜式手機等可移動設(shè)備等方面的用途。九十年代后期，人們已不滿足于鋰離子電池的小功率性能，對鋰離子電池寄予更高的期望，進(jìn)而開發(fā)出高功率大容量的動力型電池，其容量高達(dá)100Ah~200Ah，甚至300~500Ah等。從此，出現(xiàn)了鋰離子動力電池的概念。
燃料電池其實是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。雖然被稱作電池，但與傳統(tǒng)可重復(fù)使用的電池所不同的是：無須使用外界電源進(jìn)行充電程式，就能于電力耗竭后再行使用。源泉是采用與現(xiàn)行車輛加油相同的形式補充燃料增加能源。有專家認(rèn)為燃料電池名稱不是很適當(dāng)，燃料是指在反應(yīng)過程中會被使用及消耗的物質(zhì)，就如同現(xiàn)階段車輛系統(tǒng)所使用的燃料汽油一般，必須重復(fù)地進(jìn)行燃料添加動作，才能維持系統(tǒng)或機器的正常運行。電池則指一般傳統(tǒng)的、經(jīng)由電解質(zhì)與正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)、釋放電子電能產(chǎn)生電力，以提供用電使用；在能量耗盡時經(jīng)由外加電力進(jìn)行充電，促使還原反應(yīng)的進(jìn)行，回復(fù)原先狀態(tài)的特性。燃料電池的名稱可能是因為需要重復(fù)添加燃料，以及經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能量，由于兩種物質(zhì)加在一起，因而得名。
燃料電池種類繁多，依電極產(chǎn)生氫和氧的機制不同及電解質(zhì)和操作溫度不同，主要有六種類型，分別分堿性、磷酸、熔融碳酸鹽、固態(tài)氧化物、質(zhì)子交換膜、直接甲醇等。
堿性燃料電池（AFC），使用KOH為電解液，滲透于多孔而惰性的基質(zhì)隔膜材料中，由于氧在堿性溶液中的電化學(xué)反應(yīng)速度比在酸性溶液中大，因此可以得到較大的電流密度和輸出功率，此類技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟。磷酸燃料電池（PAFC），采用磷酸為電解質(zhì)，正負(fù)電極系列用聚四氟乙烯制成的多孔電極，電極上涂Pt作催化劑，在100~200℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性強，由于貴金屬鉑的用量比堿性的燃料電池大大減小，所以制作成本較低。熔融炭酸鹽燃料電池（MCFC），用兩種或多種碳酸鹽的低融混合物作為電解質(zhì)，如用堿碳酸鹽低溫共融體滲透進(jìn)多孔性基質(zhì)，電極用鎳粉燒制而成，兩極粉末中含多種過渡金屬元素作穩(wěn)定劑，目前在美國、日本及西歐研究和利用較多。固體氧化物燃料電池（SOFC），電解質(zhì)是復(fù)合氧化物，在千度以下高溫時，有很強的離子導(dǎo)電性，由于鈣、鐿或釔等混入離子介態(tài)低于鋯離子的介態(tài)，使部分氧負(fù)離子晶格位空出來而導(dǎo)電。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），是正在迅速發(fā)展起來的溫度最低、比能最高、啟動最快、壽命最長、應(yīng)用最廣的第五代燃料電池，核心技術(shù)是電極三合一組件的制備技術(shù)；采用熱壓的方法將電極、膜及電極壓合在一起，形成電極膜電極三合一組件，其中質(zhì)子交換膜的技術(shù)參數(shù)直接影響著三合一組件的性能，因而關(guān)系到整個電池組的技術(shù)運行效率。直接甲醇燃料電池（DMFC），是利用電解聚合膜只允許特定化學(xué)物質(zhì)通過的特性，產(chǎn)生了熱力學(xué)電動勢，膜的一側(cè)是正極充滿了甲醇和水，可以將甲醇分解為氫原子和二氧化碳，分離后的氫原子被剝奪了電子可以通過膜到達(dá)膜的另一側(cè)；陰極催化劑則由質(zhì)子（缺少一個電荷的氫原子）和空氣中的氧氣反應(yīng)形成了缺少一個電子的水，通過連接陽極至陰極的導(dǎo)線，在陽極上氫原子上脫離的電子可以移動到陰極上，與缺少電子的物質(zhì)結(jié)合，降低膜之間的電壓使之低于平衡值，可產(chǎn)生有效的電能量。
燃料電池的總特性是與它的名稱相符合，即：燃料+化學(xué)反應(yīng)=電能，是一種將儲存在燃料里的氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。
發(fā)展中的技術(shù)較量
為滿足現(xiàn)代市場對電池不斷增加的性能要求，提高比能量（尤其是體積比能量）一直是鋰離子蓄電池技術(shù)改進(jìn)的主要內(nèi)容。電池的比能量與正負(fù)極活性材料密切相關(guān)，材料的研究與改進(jìn)是提高比能量的首要任務(wù)。繼LiCoO2富鋰材料作正極以后，人們又發(fā)現(xiàn)了尖晶石型錳基氧化物L(fēng)iMn2O4做正極材料。研究發(fā)現(xiàn)通過摻雜適當(dāng)?shù)慕饘匐x子及表面包覆適宜的氧化物、可有效延長該類產(chǎn)品的循環(huán)壽命，是一種廉價的動力型鋰離子蓄電池可選的正極材料。而選擇橄欖石型磷酸鐵鋰做正極材料，是目前的研究熱點。其固有優(yōu)點是高穩(wěn)定性和潛在的低成本。研究表明，采用摻雜及表面包覆導(dǎo)電碳材料以及采用優(yōu)選的制備工藝，可以大大提高導(dǎo)電性和放電率，并具有充放電電壓非常平穩(wěn)、放電至零伏仍能很好恢復(fù)不損壞、良好的濫用安全性及循環(huán)壽命，是一種非常有前途的適用于動力型鋰離子蓄電池的正極材料。
負(fù)極活性材料的改進(jìn)，主要選擇高容量低成本的碳材料，如MCMB、石墨、改性石墨三種。其中改性石墨是將片狀石墨加工成球狀石墨，再在表面包覆納米級碳須制成改進(jìn)石墨。據(jù)稱可使不可遞容量從62mAh/g下降到50mAh/g，同時提高了振實密度，改善了導(dǎo)電性，而且避免了層狀石墨的剝離現(xiàn)象。而選用納米復(fù)合負(fù)極材料，包括納米鋰合金（主要是錫基及硅基）包覆的復(fù)合材料，例如包碳的納米硅，Si-C復(fù)合材料，比容量可達(dá)1500mAh/g，而且循環(huán)性能良好，還有表面栽植SnSb的納米硬碳材料，比容量可達(dá)700mAh/g，以及Cr2O3納米顆粒外包覆及石墨的核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料，比容量可達(dá)700-800mAh/g。目前，這類材料正在積極開發(fā)并且多項試用中。
在提高比能量的研究中，除了上述正負(fù)極材料的改進(jìn)外，在工藝設(shè)計技術(shù)方面，采用加大電極涂層密度、提高電芯充填量、采用更薄的集流體，采用鋁外殼及鋁塑軟包裝等工藝，使電池的比能量得到一定的提高。以18650型圓柱電池為例，改進(jìn)后容量從最初的1000mAh提高到現(xiàn)今的2400mAh。據(jù)稱這是常規(guī)材料的18650鋰離子蓄電池能達(dá)到的極限，而采用負(fù)極材料Co-Sn-C無定型復(fù)合材料，正極為混合多元過渡金屬氧化物的18650型蓄電池，容量可達(dá)2500mAh。用表面包覆納米材料的實用型摻AL和Co的鎳基層狀氧化物正極，配以與正極相適應(yīng)的特種電解液，使18650型蓄電池容量達(dá)到2800mAh。在動力型鋰電池方面，用Li（Ni，Mn，Co）O2復(fù)合正極與傳統(tǒng)的碳負(fù)極制成的方型UF553436蓄電池，比能量達(dá)到203wh/kg，若用新型正極與Si薄膜負(fù)極活性組成比能量超過250wh/kg。并預(yù)測新型鋰離子電池體系的體積比能量到2010年可能達(dá)到700wh/L（方型）和800wh/L（圓型）。
鋰離子蓄電池在延長壽命及提高安全性方面，主要是選用相穩(wěn)定的正負(fù)極材料，通過合理的包覆及摻雜技術(shù)提高正負(fù)活性材料本身及與電解液界面的穩(wěn)定性，采用適宜的功能添加劑提高電池的耐過充能力，優(yōu)化正負(fù)極活性材料可逆容量比及降低活性材料比表面，也對延長壽命提高安全性有一定的作用。而采用新型隔膜及電解質(zhì)材料也會進(jìn)一步提高安全性延長壽命。例如一種新型陶瓷無機隔膜，其特點是良好的高溫穩(wěn)定性和良好的電解液濕潤性，18650型蓄電池采用這種隔膜比常規(guī)的電池充放電率性能有所提高，容量由87%提高到90%，耐過充能力實驗用IC電流過充到6.5V仍能安全通過，而常規(guī)隔膜的電池過充1.1倍容量后就可爆炸。
燃料電池技術(shù)發(fā)展最為成熟的是堿性燃料電池（AFC）。此類電池在航天飛行及潛艇中已成功應(yīng)用。發(fā)展堿性燃料電池的核心技術(shù)在于避免二氧化碳對堿性電解液成份的破壞，不論是空氣中百分之幾的二氧化碳成份，還是烴類的重整氣使用時所含的二氧化碳，都要進(jìn)行去除處理。此外，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成的水需要及時排出，以維持水平衡。這些要求無疑增加了系統(tǒng)的總體造價。此外，簡化排水和控制系統(tǒng)是堿性燃料電池需要解決的核心問題，而在電池應(yīng)用的貴金屬鉑催化劑用量比較大，是目前商業(yè)化運作實際應(yīng)用率不高的瓶頸。
目前國際上功率較大的燃料電池電力站，均采用酸性燃料電池（PAFC）。美國將磷酸燃料電池列為國家重點研究計劃進(jìn)行開發(fā)，并已向全世界出售200kw級的磷酸燃料電池。在美國和日本，有幾套磷酸燃料電池裝置甚至已達(dá)到連續(xù)發(fā)電1萬小時的設(shè)計目標(biāo)。歐洲現(xiàn)在也有五套200kw的PAFC發(fā)電系統(tǒng)。磷酸燃料電池發(fā)電技術(shù)雖已得到發(fā)展，并且已有多起商業(yè)運轉(zhuǎn)案例，但因其啟動時間較長以及余熱剩余價值低等發(fā)展障礙，導(dǎo)致其發(fā)展速度減緩。
熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），目前仍以美國、日本及西歐研究和利用較多。2.5kw管道型熔融碳酸鹽燃料電池已經(jīng)問世，在解決其性能衰減和電解質(zhì)遷移方面已取得突破。美國燃料電池能源公司已經(jīng)在實驗室測試263kw發(fā)電裝置。意大利和西班牙的兩家公司合作開發(fā)100kw熔融碳酸鹽燃料發(fā)電裝置和500kw的發(fā)電裝置。日本東芝公司開發(fā)出低成本的10kw MCFC發(fā)電裝置后，日立公司也相繼開發(fā)出1kw的此類燃料電池發(fā)電裝置。熔融碳酸鹽燃料電池中的陰極、陽極、電解質(zhì)隔膜、雙極板是基礎(chǔ)研究的四大重點，這四大部件的集成是電池組及電站安裝和運轉(zhuǎn)的技術(shù)核心。
世界各國在固體氧化物燃料電池（SOFC）的研制已有實質(zhì)性的進(jìn)展。已經(jīng)開發(fā)了管式、平板式和瓦楞式等多種結(jié)構(gòu)型式的SOFC。這種被稱為第三代的燃料電池，美國和日本多家公司正在開發(fā)10kw平面輪機的發(fā)電裝置。德國西門子電器公司正在測試100kw管狀工作堆。臺灣的核能研究所也在從事SOFC的基礎(chǔ)研究。SOFC在高溫、密封和結(jié)構(gòu)上的問題，如電極的燒結(jié)、電解質(zhì)與電極之間的介面化學(xué)擴散，以及熱膨脹系數(shù)不同的材料之間的匹配和雙極材料的穩(wěn)定性等，都在一定程度上限制著固體氧化物燃料電池的發(fā)展，成為其技術(shù)突破的關(guān)鍵所在。
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），原本是為了航天和軍用電源開發(fā)的。在美國《時代周刊》的社會調(diào)查結(jié)果中被列為21世紀(jì)十大科技新技術(shù)之首。美國多家公司及日本三洋、三菱公司也研究開發(fā)出可移動PEMFC發(fā)電工作堆。加拿大電力系統(tǒng)公司與日本EBARA公司合作研究開發(fā)出250kw級PEMFC發(fā)電設(shè)備和kw級可攜式發(fā)電系統(tǒng)。德國也在柏林建造了一個250kw級的PEMFC的實驗堆。我國為了在燃料電池技術(shù)上不落后于世界強國，在大連物理化學(xué)研究所也研發(fā)出了30kw的PEMFC發(fā)電設(shè)備。PEMFC的價格直接影響著商業(yè)化進(jìn)程。因此，除了必要元件性能的改進(jìn)及提升外，降低運轉(zhuǎn)成本以及初購成本，是發(fā)展PEMFC的重要技術(shù)研發(fā)方向。
直接甲醇燃料電池（DMFC），總的化學(xué)反應(yīng)是和甲醇燃料相同，當(dāng)提供電流時，甲醇在陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)被氧化，在陽極電催化產(chǎn)生電子通過外部電路到達(dá)陰極電催化劑，電子在一個還原反應(yīng)中被消耗，電路通過電極間的質(zhì)子傳導(dǎo)維持在電池中。由于觸媒大致均會使用鉑等貴金屬，在反應(yīng)過程中極易因一氧化碳與鉑產(chǎn)生反應(yīng)，縮短了鉑的使用壽命，當(dāng)然也縮短了直接甲醇燃料電池的可使用壽命，所以后期研究中均加入（Ru）添加劑，以避免鉑中毒事情發(fā)生，延長電池的可使用壽命。降低成本，也是直接甲醇燃料電池的重要研究課題。
在燃料電池和鋰二次蓄電池的技術(shù)發(fā)展路線上，表面看起來似乎是燃料電池在向電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展，實際是燃料電池“野心勃勃”，力圖取代所有的可移動可攜帶電源市場。十幾年來，鋰電池技術(shù)及其市場的蓬勃發(fā)展，苦心經(jīng)營打造大量市場份額的局面，豈能善罷干休？
在應(yīng)用領(lǐng)域的激烈PK
人類在探索自驅(qū)動交通工具中，車輛最早使用的動力源就是電池。當(dāng)燃油發(fā)動機技術(shù)取代電池動力源技術(shù)以后近一百年，面臨石油危機和環(huán)境污染存在的難題，特別在金融危機風(fēng)景中，人類更“卯”足勁力圖依賴新能源經(jīng)濟(jì)改善目前的危難局面，以燃油汽車驅(qū)動的歷史即將輪回到電力動力源的創(chuàng)新革命中。由于傳統(tǒng)的電池終究代替不了現(xiàn)代交通突飛猛進(jìn)的應(yīng)用要求，鋰電池在初始定位于小型可移動電器的應(yīng)用范圍時，又不得不肩負(fù)歷史的重任，順應(yīng)歷史潮流發(fā)展了鋰動力電池。
面對燃料電池咄咄逼人的形勢，鋰動力電池從開始的10Ah容量迅速發(fā)展到200Ah~300Ah。當(dāng)燃料電池在交通領(lǐng)域向公交客車定位時，鋰動力電池并不退縮，而是大膽地向這個世界上別人不敢越步的領(lǐng)域進(jìn)軍。2001年，世界上第一輛以鋰離子動力電池為動力的電動大客車，由北京理工大學(xué)、北京燕科新技術(shù)公司和北京公交總公司共同研制的BJ6100-EV公交客車誕生了。該車總重量15610kg，額定載客人數(shù)65人，最大載客人數(shù)90人，長寬高：10715×2500×3090mm；最高時速70km；最大爬坡度20%。該車匹配的是雷天TS-LP9393A型鋰動力電池；電池單體規(guī)格3.6V/200Ah-5.5kg；電池組規(guī)格：108×3.6V/3×200Ah-1900kg；使用ZYCD-75型直流帶增磁繞組自動弱磁復(fù)合式電動機，額定功率75kw，最大功率120kw。從2001年12月重新試運行以后，到2006年運行65000km時，324塊單體電池只有6塊替換掉，目前早已完成了10萬公里的運行目標(biāo)，這輛用鋰動力電池配載的電動公交汽車試驗成功，為我國開發(fā)純電動汽車的技術(shù)路線搭建了平臺，也為科技奧運使用中國技術(shù)的純電動汽車展現(xiàn)了風(fēng)采。在奧運會期間，100輛新能源高科技客運車的行列里，有40輛電動客車使用了鋰動力電池作為驅(qū)動電源。
鋰動力電池在客運汽車上的應(yīng)用，說明了燃料電池達(dá)到的動力源程度鋰動力也能達(dá)到。在電動大客車用高功率、高電壓、高能量的電動動力源都能滿足的情況下，鋰離子動力電池滿足其它載人用車的功率還在話下嗎？用鋰動力電池匹配的各種電動車有：腳踏助力型電動自行車，采用3.6V/10Ah電池×8只的電池組，總?cè)萘?0Ah，工作電壓12-17V，一次性充電行駛距離18-28公里；匹配10Ah/3.6V×10只電池組裝置自行車，總?cè)萘?0Ah，電池組工作電壓28-42V，一次性充電續(xù)駛里程50-70km，時速10-15km；使用TS-LP6163型鋰動力電池配載的普通電動摩托車，電池組為3.6V/50Ah×14只，工作電壓35V~63V，最高時速60km，一次性充電可連續(xù)行駛80~110km；采用TS-LP8581A型動力電池配置的電動小轎車，電池組由3.6V/100Ah×138只串并聯(lián)，總?cè)萘?00Ah，工作電壓130V~195V，載5人，最高時速120km，一次性充電續(xù)駛里程350~420km；中巴車使用TS-LP9393A鋰動力電池，電池組用3.6V/200Ah×252只串并聯(lián)，總?cè)萘?00Ah，工作電壓為235V-316V，最高時速100km，一次充電續(xù)駛260~300km。
由于鋰動力電池具有配置各種功率的最大自由化程度，所以使用在大功率澎湃動力的高級豪華型轎車上，同樣可以產(chǎn)生如奔馳、寶馬級跑車的效果。如果配置微小型商用車或家用車，對鋰動力電池來說更不在話下。
在上述幾種燃料電池中，以氫燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）為代表的燃料電池發(fā)展較快。一個主要的應(yīng)用領(lǐng)域是交通運輸工具。2005年，美日兩國的一些汽車公司對公共交通汽車用燃料電池研發(fā)投入數(shù)額較大。如：美國的ACTransit重新設(shè)計公交客車的底盤以利于氫能電池的應(yīng)用；日本本田株式會社也推出了利用燃料電池配置豪華FCX概念車，并且在2005年8月進(jìn)入美日市場。基礎(chǔ)建設(shè)方面，2006年全球氫能燃料站已達(dá)140個，大部份位于北美地區(qū)，特別在美國加洲，已經(jīng)投放90多輛由燃料電池驅(qū)動的公交汽車，并預(yù)計幾年內(nèi)將這個數(shù)字增加至300輛。美國政府將氫能和燃料電池，作為維持經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全至關(guān)重要的必經(jīng)發(fā)展的技術(shù)之一。
在電動汽車領(lǐng)域開發(fā)燃料電池應(yīng)用的佼佼者，較為領(lǐng)先的有通用、戴?克、豐田、本田等汽車業(yè)界巨頭。豐田公司1999年以來陸續(xù)推出6種燃料電池的混合動力汽車，上面提到的FCX汽車已通過美國加里福尼亞洲空氣資源局和美國環(huán)保署的認(rèn)證，并在加州的街頭行駛。豐田一種五座純?nèi)剂想姵仄嚂r速達(dá)96英里，一次充滿燃料可行駛180英里。本田的4座燃料電池汽車時速也達(dá)90英里，充滿燃料一次行程為220英里。三菱汽車公司的燃料電池汽車也緊跟其后，正式獲得日本國土交通大臣的認(rèn)可。亞瑪哈公司在摩托車上研發(fā)燃料電池的項目也獲得批準(zhǔn)應(yīng)用。
通用公司的“胃口”曾經(jīng)更大，聲稱推出100萬輛不虧本的燃料電池汽車進(jìn)入市場，它展示的“氫能三號”是區(qū)別于NPV燃料電池的改進(jìn)，并在全球巡展，號稱達(dá)到商業(yè)化水平。這次金融危機，美國三大汽車巨頭雖然受災(zāi)極其嚴(yán)重，但在新能源技術(shù)上畢竟具有優(yōu)勢，其技術(shù)專利仍然有自己的知識產(chǎn)權(quán)。通用還展出的車型有輪殼電機S-10混合動力貨車，以及與鈴木公司合作設(shè)計的可乘坐4人的燃料電池轎車，還有與我國上汽集團(tuán)合作研發(fā)的“鳳凰”燃料電池電動概念車。通用的“胃口”曾經(jīng)儼然要做燃料電池汽車的“老大”，假如這次危機不倒閉還會東山再起的話仍然還會成為國際跨國公司的巨頭。戴?克公司在燃料電池的應(yīng)用上則致力于以小到大的發(fā)展原則，它推出的一款一廂2座的商用車，2002年5月20日開始，用16天時間從美國西部舊金山，橫穿美國大陸，到達(dá)東部華盛頓，實現(xiàn)無故障行駛的記錄。從2003年開始，戴?克這款NECAR5的靚麗微型燃料電池汽車在全球巡展。
歐盟推出了燃料電池公交汽車示范合作計劃，戴?克和曼公司為試驗計劃項目分別提供多種專用的燃料電池客車底盤。歐盟對車用燃料電池的成本標(biāo)準(zhǔn)要求是：<100歐元/kw，并建立了“氫能和燃料電池技術(shù)平臺”。在燃料電池公交汽車的示范合作計劃里，歐盟使用了31輛用燃料電池配置的公交巴士。
我國第一輛燃料電池大客車是2008年12月28日在北京順利通過國家科技部專家組驗收的。燃料電池客車長11米、寬2.5米，高3.4米，設(shè)50個座位，載重量達(dá)5噸。按國家“十五863”計劃指標(biāo)，功率1500kw，時速80km，最大爬坡度>20%，續(xù)駛里程<200km，全部達(dá)標(biāo)。以萬鋼教授為首的“超越”號燃料電池電動轎車的研發(fā)工作也順利完成。“超越”經(jīng)歷了1號2號3號的研發(fā)過程，其性能指標(biāo)一號超越一號，其實用性穩(wěn)定性可靠性均達(dá)到商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。上海神力科技有限公司與清華大學(xué)汽車研究所合作。為中國燃料電池客車在2008年奧運用車作出了偉大貢獻(xiàn)。我國在燃料電池汽車領(lǐng)域里的成功應(yīng)用，打破了跨國公司在燃料電池汽車領(lǐng)域里的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了《節(jié)能與新能源汽車重大項目》里的策略目標(biāo)。
鋰動力電池和燃料電池進(jìn)軍電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。鋰離子電池以其質(zhì)量輕、功率密度高，可攜帶方便首先搶占了小型可攜帶電器市場；而燃料電池面對全球偌大的可攜電器市場，也在窺視并有伺機搶占的欲望。燃料電池向“小”、鋰動力電池向“大”的方面發(fā)展，是兩種不同性質(zhì)的電池展開同一樣的市場競爭，那么究竟誰能讓消費者滿意呢？
市場大比拼
鋰離子電池進(jìn)入市場以來，幾乎是以迅雷不及掩耳之勢迅速搶占了小型充電電器市場。到2005年年銷售量為4500億美元，2001年為2300億，2002年2700億，2003年3300億，2004年4100億，每年是以10%以上的速度遞增。據(jù)一份統(tǒng)計圖表，2005年其中手機占60%，筆記本電腦占28%，攝錄機6%，其它占6%，在鋰離子電池的主流市場是手機和筆記本電腦時，隨著大容量高功率的鋰離子電池的發(fā)展，已經(jīng)推向了電動交通汽車用，以及各種工業(yè)用蓄電池（如電信、UPS等）市場的擴展，鋰電池市場的占有率會越來越寬，在動力電池市場，鋰電池起碼已有上億元人民幣的份額進(jìn)入奧運會的電動汽車行列。
面對鋰離子電池如此巨大的市場，燃料電池同時也瞄向手機、筆記本電腦等小型便攜電源市場。由于DMFC直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，便于小型化和微型化，因此也適合作為便攜式電源用于民用工業(yè)和軍事工業(yè)中。雖然直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種形式，但它以甲醇為燃料，因而與氫燃料電池相比，在電池系統(tǒng)構(gòu)造、燃料來源、貯存等諸多方面均存在很大優(yōu)勢，具備了微型化的條件也就有了進(jìn)入市場的可能。越來越多的跡象表明，便攜式燃料電池產(chǎn)品必將會擠占應(yīng)用電器市場，只不過是時間早晚的問題。
從燃料電池目前真正進(jìn)入商業(yè)化電動車應(yīng)用市場和發(fā)電市場看，2005年日本PEMFC燃料電池的產(chǎn)值達(dá)到69.6億日元，是2004年的3.1倍。致力于PEMFC質(zhì)子交換膜燃料電池研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)有松下電子、日本石油、豐田汽車、日立、東芝等。其中豐田汽車公司在2005年世博會（愛知縣）上展出了大型PHV-BUSZ通勤車，采用混合燃料系統(tǒng)，以純氫為燃料，安裝有兩個90kw的燃料電池組。2005年日本的熔融碳酸鹽燃料電池MCPC的發(fā)電市場規(guī)模為8.5億日元。在MCPC研發(fā)中占主導(dǎo)地位的是石川島擂摩重工，在愛知05世博會上，他們也展示了300kw和1000kw的燃料電池組件。
據(jù)Freedonia Group公司預(yù)測，世界燃料電池市場由2004年的3.75億美元，將成長為2009年約25.8億美元。預(yù)計2014年世界燃料電池系統(tǒng)需求值可成長為135.5億美元，其中發(fā)電系統(tǒng)占有率為51.7%，其次為便攜式電子產(chǎn)品，并以便攜式電子產(chǎn)品需求值增長速度最快。至于燃料電池技術(shù)類型，目前以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）占五成以上居多，但預(yù)期未來市場占有率會逐年下降，將為快速成長的固體氧化物燃料電池和直接甲醇燃料電池等技術(shù)類型所取代。
從目前市場情況不難看出，燃料電池其市場占有率微乎其微。然而，燃料電池高比能量的轉(zhuǎn)換效率，以及高于鋰電池2-3倍左右的電能功率，和本身所具備的穩(wěn)定性、實用性、高能源效率，可說是目前任何蓄電池所不能比擬的。然而鋰離子電池以其成熟的制作技術(shù)和穩(wěn)定的市場份額，對燃料電池并不買帳，即使在電動汽車的應(yīng)用上，鋰動力電池可以毫不畏懼地說：鋰動力電池在2008已經(jīng)初步開始實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化了，燃料電池要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化程度目前還有困難，有人認(rèn)為，至少還需要20年。
爭論與抉擇
在選擇何種電動源作為研發(fā)電動汽車的動力源問題上，我國曾經(jīng)有過激烈的爭論。主張使用鋰動力電池的指責(zé)燃料電池的弊端，提倡燃料電池的尋找鋰動力電池的毛病。既然有爭論，必然有瑕庇。
燃派認(rèn)為，鋰動力電池的致命弱點是其本身特點所決定的，它既不允許過充電，也不允許過放電。過充引起燃燒或爆炸，過放電再充電時同樣也會引起燃燒或者爆炸。鋰動力電池的安全性是其最大的弊病，2002年在中國武漢不就燒毀了兩輛用鋰動力電池裝配的電動轎車嗎？鋰派認(rèn)為，燃料電池也是一個易燃易爆的家伙，危險性更大，特別在制氫和貯氫上都是個問題，日本不就因為氫泄漏而將在美國市場的轎車都招回了嗎？另外甲醇燃料也會產(chǎn)生有毒的醛類排放，對人類的毒性危害較大。另外甲醇對金屬有腐蝕作用，對橡膠皮革有溶漲作用，也會使塑料制品提前老化等。
在成本方面，鋰派認(rèn)為，鋰動力電池的成本比燃料電池要低廉得多，配置二輛燃料電池電動汽車的價錢可以裝置3-4輛鋰動力電池電動汽車；燃料電池汽車高昂的成本不僅僅表現(xiàn)在初始購買上，還表現(xiàn)在使用過程中，如鉑消費、氫燃料電池每產(chǎn)生10kw的峰值就需要消耗2克鉑，現(xiàn)在即使已經(jīng)降低了消耗，但只要繼續(xù)使用鉑金屬，地球僅有的鉑資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了電動汽車使用；而氫燃料的提取又是一種復(fù)雜而昂貴的工藝，到目前為止世界上還沒有廉價提取液態(tài)氫的工藝；而甲醇也不是什么便宜貨，跟汽油的價錢差不多。燃派認(rèn)為，鋰動力電池的初始成本雖然比較低，使用成本電費也特別便宜，但鑒于鋰動力電池的循環(huán)壽命是十萬公里就需要更換新的電池，成本看不出低多少。
在基礎(chǔ)設(shè)施問題上，鋰派認(rèn)為，這個問題不僅存在著高低不同的成本投入，一座加氫站或甲醇站的資本投入遠(yuǎn)比一座充電站的投入要高出幾十倍甚至上百倍，而更重要的是存在安全問題，成本的投入和安全系數(shù)的隱患成正比，一座充電站的安全系數(shù)要比一座注氫站的安全系數(shù)要高出幾十倍甚至上百倍。燃派在這個問題上雖然無言以對，卻提出燃料電池的使用功率可以大大高出鋰動力電池。
所以，在資本投向問題上，燃派認(rèn)為，花費大量精力與金錢把“寶”押在鋰動力電池電動汽車身上，“我看有點懸”。鋰派則認(rèn)為，我們國家目前還不具備大量投入電動汽車項目這個條件，將有限的資金首先投向資本不太高的鋰動力電池汽車上，使其逐漸成熟，走向完善，拉動鋰動力電池電動汽車的研發(fā)形成產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化，這是方向性的大事，不可輕舉妄動。
我國在十五期間將發(fā)展電動汽車項目列為“重中之重”，并采取了“三縱三橫”的技術(shù)發(fā)展路線。“三縱”即純電動汽車、混合電動汽車和燃料電池汽車；“三橫”是電池、電機、電控三大技術(shù)。自2001年“863”計劃下設(shè)74個研發(fā)課題啟動以后，受美國三大汽車公司退出純電動汽車研發(fā)的影響，對純電動汽車的投入相對降溫。然而，經(jīng)過一年多的實踐以后，特別是由于我國從鋰離子電池生產(chǎn)大國跨入鋰動力電池試制最成功的國家，使我國純電動汽車技術(shù)成為全球強國，首先突破純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)，并在“十五”期間將所有的課題目標(biāo)均已完成。科技部高新技術(shù)司李健司長在2002年就曾經(jīng)說：“純電動汽車不光要突破關(guān)鍵技術(shù)，還要初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，混合動力電動汽車要引導(dǎo)企業(yè)形成規(guī)模化批量生產(chǎn)，燃料電池汽車是我們的中長期目標(biāo)。”可見，我國在選擇電動汽車發(fā)展路線上，首先選擇了純電動汽車。當(dāng)然，既然要發(fā)展純電動汽車首選動力源當(dāng)然是鋰動力電池了?，F(xiàn)在，在“十五”計劃目標(biāo)均已完成的基礎(chǔ)上，“十一五”規(guī)劃又將“節(jié)能與新能源汽車項目”列為“重中之重”。
在我國將純電動汽車列為首選項目大力發(fā)展的時候，并不意味著我國對燃料電池電動汽車就停止研發(fā)。2002年，美國三大汽車公司宣布退出純電動汽車的研發(fā)，或許是由于當(dāng)時“財大氣粗”，企圖用高起點高投入力圖盡快占領(lǐng)高科技制高點，三大汽車巨頭當(dāng)時響應(yīng)了小布什總統(tǒng)的“自由燃料計劃”既美國政府的氫能源戰(zhàn)略目標(biāo)，選擇了向燃料電池汽車發(fā)展的路線。而日本人的戰(zhàn)略眼光是緊盯著美國人轉(zhuǎn)的，日本汽車是美、日、中三大市場，日本人唯恐技術(shù)含量跟不上美國的形勢被市場淘汰。我國將燃料電池汽車項目列為“中長期目標(biāo)”，是根據(jù)我國國情所制定的。燃料電池確定是個“吃錢”的家伙，需要大劑量的資本投入。在“十五”期間，我國電動車項目包括零部件僅投入十億元人民幣，而美國則幾十億上百億美元的“豪賭”?，F(xiàn)在，美國政府又投入巨資，力圖挽救三大汽車巨頭即將破產(chǎn)的命運，仍然想通過新能源汽車改善金融危機帶來的厄運，仍然想通過新能源汽車改善金融危機帶來的厄運。我國面對新的國際經(jīng)濟(jì)形勢，中央政府及時調(diào)整了世界汽車行業(yè)的發(fā)展策略，一舉投資100億人民幣發(fā)展新能源汽車研發(fā)，在燃料電池電動汽車項目上的研發(fā)毫不動搖，本著既不讓列強壟斷技術(shù)，也暫不做大劑量投資，首先達(dá)到“你有我也有”的目標(biāo)原則，而繼續(xù)發(fā)展純電動汽車項目，以盡快完成、完善純電動汽車的技術(shù)水平的提高。以期盡快達(dá)到產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化的程度，使我國的純電動汽車產(chǎn)品早日奔馳在世界各地。
較量剛剛開始（結(jié)束語）
鋰離子電池剛剛問世，“就以迅雷不及掩耳之勢”迅速搶占了便攜電器應(yīng)用市場，進(jìn)而發(fā)展到鋰動力蓄電池的應(yīng)用市場。鋰電池材料技術(shù)、制備技術(shù)、使用技術(shù)都得到全方位的提高，在向動力電池的研發(fā)方面，比能量比功率都得到長足的發(fā)展，以18650圓柱形鋰離子電池為例，2000年這種電池的容量只能達(dá)到1000~1500mAh，目前這種電池的容量已能達(dá)到2500~2800mAh，體積重量并沒有提高，可容量卻增加了一倍，可見，鋰動力電池技術(shù)發(fā)展的迅速。而鋰動力電池的使用技術(shù)，控制管理水平同樣得到關(guān)鍵技術(shù)的突破，鋰動力電池在電動大客車上的成功使用，已經(jīng)說明了這一切。目前，鋰動力電池的任務(wù)是如何高安全性、延長使用壽命和降低生產(chǎn)成本。
而燃料電池的概念卻從1839年就提出來了，至今經(jīng)歷了漫長的170年的歷史。燃料電池發(fā)展一直比較緩慢，主要是由于其工作溫度高、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，因而無法進(jìn)入正常的家用市場，所以其用量一直沒有得到大的擴展，也沒有進(jìn)入尋常的百姓視野。直到上個世紀(jì)六十年代初，由于航天和國防的需要，才開發(fā)了液氫和液氧燃料電池，應(yīng)用于空間飛行和潛水艇。近年來興起的燃料電池研發(fā)熱潮，主要是因為：第一，一次能源的匱乏和環(huán)保要求的突出，雖然其結(jié)構(gòu)、原理十分復(fù)雜，涉及熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動化控制等學(xué)科的有關(guān)理論，但燃料電池確實具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點受到世界各國的普遍重視。第二，隨著電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)展，當(dāng)前電池的能量密度顯得較小，且能量補充必須使用交流電源，由于這兩方面的原因，當(dāng)前的化學(xué)電池越來越不能滿足筆記本電腦、移動電話、PDA和軍事方面的需求，這當(dāng)然對微電子產(chǎn)品的能源系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。由于燃料電池的理論計算是鋰離子電池能量密度的3倍，功率密度的2倍，并且還可以方便地補充燃料繼續(xù)工作，鑒于比鋰電池存在的兩大優(yōu)勢，所以激發(fā)了開發(fā)商加快研究燃料電池的熱情。其應(yīng)用方向主要是便攜式小型燃料電池、汽車動力系統(tǒng)用燃料電池和住宅小區(qū)供電系統(tǒng)用燃料電池。它向鋰電池挑戰(zhàn)的當(dāng)然只能是便攜式小型電器用和汽車動力系統(tǒng)用的兩個方面。
鑒于受燃料電池技術(shù)發(fā)展中最大的瓶頸是貴金屬鉑催化劑，特別在汽車動力用燃料電池方面目前還無法逾越，所以說鋰離子電池與燃料電池的較量應(yīng)該說還沒有真正開始，20年以后，鋰離子電池技術(shù)會更加成熟，而燃料電池也許會更新?lián)Q代，真正的搏殺到燃料電池能夠大量進(jìn)入市場才能開始，讓我們拭目以待欣賞這場商業(yè)化的競技吧。 （網(wǎng)友對此文有貢獻(xiàn)）
