未來10年有這10項(xiàng)燃料動力電池技術(shù)開發(fā)事項(xiàng)-瑞達(dá)國際集團(tuán)

　　未來10年有這10項(xiàng)燃料動力電池技術(shù)開發(fā)事項(xiàng)

　　當(dāng)前，日本在燃料動力鋰電池技術(shù)、氫能供應(yīng)鏈和電解制氫三大領(lǐng)域保持全球領(lǐng)先地位。為加快氫能和燃料動力鋰電池技術(shù)發(fā)展，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省近期修改了《氫能·燃料動力鋰電池技術(shù)開發(fā)開發(fā)戰(zhàn)略》，重要課題是高效率、高耐久性和低成本，并提出了車用燃料動力鋰電池2030年開發(fā)目標(biāo)：續(xù)航里程800km、功率密度6kW/L、耐久性15年以上、催化劑使用量0.1g/kW、燃料動力鋰電池系統(tǒng)成本<0.4萬日元/kW、儲氫系統(tǒng)成本10~20萬日元。其中，針對車用質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池制定了未來10年10項(xiàng)技術(shù)開發(fā)事項(xiàng)。

　　低鉑催化劑、非鉑催化劑及低自由基吸附催化劑開發(fā)

　　最新《氫能·燃料動力鋰電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》里提出到2030年貴金屬催化劑的使用量降至0.1g/kW。燃料動力鋰電池堆關(guān)鍵材料成本高昂是造成燃料動力鋰電池汽車難以普及的重要原因。燃料動力鋰電池催化劑技術(shù)開發(fā)的長期目標(biāo)是貴金屬催化劑用量達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)尾氣凈化器水平(<0.05g/kW)。針對目前商用催化劑的高成本問題，降低貴金屬催化劑使用量和提高活性是關(guān)鍵，因此開發(fā)低鉑載量和非鉑系催化劑是目前的重點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池低鉑載量催化劑技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑重要有Pt-M催化劑、Pt核殼催化劑、Pt單原子層催化劑。比如Pt-M催化劑的應(yīng)用代表-豐田汽車公司在其2014年推出的Mirai燃料動力鋰電池汽車上采用的PtCo合金催化劑。非鉑催化劑包括過渡金屬氧化物、氮化物及氮氧化物、碳氮化物、硫族化物、N摻雜碳材，以及M-N/C催化劑等。就目前非貴金屬催化劑發(fā)展?fàn)顩r而言，M-N/C催化劑呈現(xiàn)出較為客觀的催化性能，成為最有可能替代Pt-基催化劑做電解還原O2的一類催化劑(M重要是Fe或Co)。此外，電化學(xué)反應(yīng)過程中間產(chǎn)物自由基·OH易吸附在催化劑表面，阻礙反應(yīng)高效率進(jìn)行;自由基進(jìn)入質(zhì)子膜，引起電解質(zhì)膜化學(xué)衰減。

　　電解質(zhì)膜高離子傳導(dǎo)率、超薄化、低氣體滲透率和高耐久性

　　大規(guī)模應(yīng)用于車用燃料動力鋰電池的全氟磺酸質(zhì)子交換膜由聚四氟乙烯主鏈(疏水)和磺酸端基(親水)側(cè)鏈組成，重要用途是分割燃料和氧化劑、傳導(dǎo)質(zhì)子。某種程度上，燃料動力鋰電池輸出性能取決于質(zhì)子交換膜中氫離子的傳導(dǎo)效率(離子傳導(dǎo)率)。超薄膜降低質(zhì)子傳導(dǎo)阻力，歐姆極化減少，性能提升;超薄膜新增陰陽極兩側(cè)水分濃度梯度，新增反擴(kuò)散，易于水管理(自增濕)。由于全氟磺酸質(zhì)子交換膜內(nèi)部存在微孔傳輸通道，超薄膜加速了氣體滲透。氣體透過膜在催化劑用途下直接反應(yīng)，只出現(xiàn)熱量和水，燃料利用率低，對燃料動力鋰電池性能、效率和耐久性有較大影響，嚴(yán)重甚至有安全問題。此外，車用燃料動力鋰電池歷經(jīng)啟停、加減速和怠速等復(fù)雜工況，質(zhì)子膜長時(shí)間運(yùn)行會出現(xiàn)機(jī)械損傷和化學(xué)降解，降低耐久性。

　　氣體擴(kuò)散層低電阻、高氣體擴(kuò)散性和排水性

　　質(zhì)子交換膜氣體擴(kuò)散層由基底層和微孔層組成，起支撐催化層、傳質(zhì)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電功能。基底層通常由疏水處理的碳紙或碳布構(gòu)成，微孔層通常由導(dǎo)電炭黑和PTFE(憎水劑)組成。微孔層通常是為了改善基底層的孔隙結(jié)構(gòu)在其表面制作的一層碳粉層，用途為降低催化層和基底層之間接觸電阻、水氣再分配、水管理等。理想的氣體擴(kuò)散層應(yīng)具備三個(gè)條件：良好的導(dǎo)電性、良好的透氣性和排水性。如豐田汽車公司為減少燃料動力鋰電池大負(fù)荷下的傳質(zhì)極化，開發(fā)量高孔隙率結(jié)構(gòu)和低密度的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散能力比原來提高2倍，大大促進(jìn)燃料動力鋰電池性能提升。

　　分離器高耐久性、高電導(dǎo)率、高排水性和良好的可成形性

　　雙極板(或分離器)是燃料動力鋰電池堆的關(guān)鍵組成部分，須具備良好的耐腐蝕性、高導(dǎo)電性以及優(yōu)異可成形性。金屬雙極板具備良好的導(dǎo)電傳熱、高機(jī)械強(qiáng)度、氣密性優(yōu)等材料屬性，兼具加工成形簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但耐腐處理和高導(dǎo)電性是金屬雙極板要處理的兩大問題，嚴(yán)重關(guān)系到燃料動力鋰電池的性能和耐久性。此外，雙極板是膜電極和外界的連接通道，兼顧氣體分配和排水用途。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面涂層的親疏水性處理關(guān)系到膜電極中電化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)的水能否及時(shí)排出。最后，超薄化金屬基材和精密成形加工對金屬的可成形性提出了高要求。豐田汽車公司提到，氫燃料動力鋰電池流場板金屬材料在成形過程中延伸須超過60%，延伸性取決于材料的延伸率，鈦板材較難成形(延伸率30%左右)。豐田紡織為Mirai開發(fā)了多種沖壓機(jī)器和步驟(multiplepressingmachinesandsteps)。為防止不匹配(分離器由多個(gè)模具制成)，將模具尺寸精度控制在±1mm。

　　密封件低氣體滲透性、低冷卻劑滲透性和高生產(chǎn)節(jié)拍

　　密封件在燃料動力鋰電池幾大部件(材料)里成本最低，卻密切關(guān)系到燃料動力鋰電池的可靠性和安全性。密封不良造成氣液外漏和氫空互竄，帶來燃料動力鋰電池失效和安全隱患。反應(yīng)氣和冷卻液既可以通過密封圈與接觸面之間界面泄露，也可以從密封圈內(nèi)部滲透泄露。燃料動力鋰電池對密封件提出的第一個(gè)關(guān)鍵要求便是高氣密性和高冷卻液密封性，其次為耐酸耐濕耐熱性、低離子溶出量、絕緣性等。此外，隨著高可靠性一體化注塑密封方法發(fā)展(膜電極和雙極板用液體硅膠一體化注塑)，燃料動力鋰電池用密封件的生產(chǎn)節(jié)拍成為降低成本的重要一環(huán)(一體化注塑成形方法中，硅膠必須等待膜電極和雙極板就位以后才能開始注塑，必須考慮注塑時(shí)間)。

　　高溫條件下高性能催化劑、碳載體和電解質(zhì)膜開發(fā)

　　質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池工作溫度提升可以帶來催化劑活性提高(電極反應(yīng)動力系數(shù)提高)、氣體擴(kuò)散性增強(qiáng)(因堵水弱或無堵水)、散熱壓力小(冷卻系統(tǒng)簡化)、催化劑抗毒性強(qiáng)(減少CO在催化劑表面吸附)等積極效應(yīng)。NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu))公布的2040年燃料動力鋰電池目標(biāo)計(jì)劃中提出到2040年燃料動力鋰電池最大工作溫度達(dá)120℃。質(zhì)子交換膜的工作溫度往往決定了燃料動力鋰電池的工作溫度。高溫運(yùn)行對電解質(zhì)膜、催化劑和碳載體提出了更高的要求。比如，傳統(tǒng)的PFSA膜以水作為質(zhì)子傳導(dǎo)媒介，當(dāng)電池溫度超過100℃，膜內(nèi)水分蒸發(fā)造成質(zhì)子傳導(dǎo)性能下降;高溫易造成膜結(jié)構(gòu)改變和化學(xué)降解，機(jī)械性能也有所降低;提高質(zhì)子交換膜在高溫條件下的質(zhì)子傳導(dǎo)性能成為研究重點(diǎn)。

　　極端環(huán)境下性能和耐久性相關(guān)技術(shù)開發(fā)

　　車用質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池除了經(jīng)歷啟停、高電位、電壓循環(huán)和大電流載荷等復(fù)雜車載工況外，還須經(jīng)受高原(低氣壓)、高寒(低溫啟動)、高溫和高污染等極端環(huán)境。極端環(huán)境不僅短暫性影響燃料動力鋰電池輸出性能，嚴(yán)重可影響耐久性。零度以下低溫是燃料動力鋰電池在全球范圍內(nèi)普及首當(dāng)其沖的極端環(huán)境，低溫啟動短時(shí)間內(nèi)造成電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水結(jié)冰阻礙反應(yīng)氣傳質(zhì)，造成濃差極化驟增，性能下降;長期來看，結(jié)冰出現(xiàn)質(zhì)子膜破裂、催化劑脫落和多孔媒介失效等。富含顆粒物和有害成分的高污染環(huán)境對車用燃料動力鋰電池一方面造成短時(shí)間性能損失，另一方面?zhèn)鞲衅鳌⒐苈泛涂諌簷C(jī)等空氣系統(tǒng)零部件表面積聚的細(xì)粉塵影響部件功能，鹽和有害氣體引起陰極催化劑中毒，降低催化劑活性，導(dǎo)致燃料動力鋰電池效率降低，造成永久性損害。

　　燃料動力鋰電池關(guān)鍵材料持續(xù)生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)

　　燃料動力鋰電池的兩大關(guān)鍵部件是膜電極組件和雙極板，前者由質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層組成。實(shí)驗(yàn)室成果的工業(yè)化放大須解決一致性和成本等多項(xiàng)課題，實(shí)驗(yàn)室制備水平到量產(chǎn)水平要攻克批量生產(chǎn)技術(shù)。如商用燃料動力鋰電池催化劑量產(chǎn)技術(shù)要突破：催化劑納米顆粒尺寸控制(確保活性比表面積)、提升碳載體穩(wěn)定性(確保耐久性)、反應(yīng)條件均一性(確保前后批次穩(wěn)定性)。未來十年，日本有關(guān)燃料動力鋰電池量產(chǎn)技術(shù)開發(fā)事項(xiàng)有電極高速涂布技術(shù)、雙極板高速成形技術(shù)、高速一體化密封技術(shù)、電解質(zhì)膜量產(chǎn)技術(shù)、催化劑量產(chǎn)技術(shù)和碳載體量產(chǎn)技術(shù)等。目前，日本在燃料動力鋰電池關(guān)鍵材料方面，質(zhì)子交換膜有旭化成、旭硝子和氯工程等;催化劑有TKK、田中貴金屬、日清坊等公司;氣體擴(kuò)散層有Tory、JSR等公司;雙極板有神戶制剛(板材)、豐田紡織(加工)等公司。

　　活化燃料動力鋰電池的能量管理系統(tǒng)開發(fā)

　　質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池在使用前，要對其進(jìn)行活化，使性能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，之后才進(jìn)入使用階段，否則電池性能發(fā)揮不出來，單節(jié)性能偏低導(dǎo)致無法使用。膜電極的活化過程是電解質(zhì)膜加濕，電子、質(zhì)子、氣液傳輸通道建立和電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的復(fù)雜過程。盲目縮短活化時(shí)間，燃料動力鋰電池性能無法達(dá)到要求。通常，燃料動力鋰電池活化采用持續(xù)加載方法，活化時(shí)間長，影響生產(chǎn)節(jié)拍，生產(chǎn)成本也新增。研究活化機(jī)理和活化影響因素，探索高效活化工藝和能量管理系統(tǒng)是加快燃料動力鋰電池堆生產(chǎn)節(jié)拍、降低成果的重要一環(huán)。

　　性能及耐久性加速劣化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及劣化機(jī)制建立

　　作為燃料動力鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)，耐久性是決定車載燃料動力鋰電池商用化的關(guān)鍵因素之一。燃料動力鋰電池耐久性與構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的每個(gè)組件相關(guān)-質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層和雙極板。由于耐久性測試的高成本，通常采用加速老化試驗(yàn)對燃料動力鋰電池進(jìn)行耐久新評估。加速老化試驗(yàn)通常由開路、低電流、中電流和高電流等階段組成。合理的耐久性劣化測試工況對評估燃料動力鋰電池壽命至關(guān)重要。此外，為更好開發(fā)燃料動力鋰電池控制策略和關(guān)鍵材料，闡述劣化機(jī)制有關(guān)主動提高燃料動力鋰電池耐久性顯示出事半功倍的效果。豐田汽車公司和日本精密陶瓷中心(JFCC)開發(fā)了一項(xiàng)最新的監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池電化學(xué)反應(yīng)過程中鉑納米顆粒的變化過程，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在Mirai改進(jìn)型和豐田下一代燃料動力鋰電池技術(shù)上。