相關(guān)于鋰離子電池模塊，燃料動力電池系統(tǒng)（PEMFCsystem）的安全性評價有很大不同。PEMFC的安全性評價重要是針對PEMFC電堆和儲氫系統(tǒng)這兩個部分，而且都與氫氣直接相關(guān)。

PEMFC電堆的安全性：PEMFC電堆是很多單電池按照壓濾機(jī)方式組裝起來的，電堆只是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，它本身并不儲存能量，這跟常規(guī)二次電池是很不相同的。PEMFC電堆的安全控制重要有兩個方面，一個是電池組的保護(hù)，要在檢測到電壓和溫度異常之后，可以在極短時間內(nèi)切斷氫氣和空氣的供給，從而防止事故的發(fā)生。另外一方面是氫氣的監(jiān)控，這是重要的安全隱患。Toyota和Daimler-Benz對其FC-EV的綜合測試結(jié)果表明，即使在工作狀態(tài)下對電堆進(jìn)行穿刺短路，都不會引起電堆火災(zāi)和爆炸發(fā)生，這重要是因?yàn)殡姸褍?nèi)部氫氣的量并不大，而且氫氣/空氣可以迅速被切斷。針對電堆本身來說，氫氣的泄漏點(diǎn)重要有兩處，一處是在氫氣供給接口，另外一處是MEA的層疊間隙處。當(dāng)前的氫氣傳感器技術(shù)不論是在靈敏度還是可靠性方面都已經(jīng)非常成熟，可以保證控制系統(tǒng)在極短時間內(nèi)切斷氫氣氣路，從而防止氫氣在動力艙的積累。

儲氫系統(tǒng)的安全性：PEMFC系統(tǒng)最大的安全隱患在于儲氫罐。目前FC-EV普遍采用的是玻璃纖維/碳纖維增強(qiáng)超高壓鋁瓶儲氫，壓力可以高達(dá)700bar。氫氣儲存量取決于鋁瓶的容積和數(shù)量，目前幾大汽車公司的FC-EV普遍裝載5-10Kg的氫氣，可以滿足350-500Km的續(xù)航里程。一般而言，氫氣的爆炸體積范圍在13-59%。那么就要分析在何種情況下氫氣會泄漏以及泄漏后可能引起的爆炸問題。

關(guān)于儲氫罐而言，最大的安全隱患是當(dāng)氣瓶在外力用途下發(fā)生破損而引發(fā)的氫氣泄露。電堆自身或與車身金屬件之間的碰撞摩擦可能出現(xiàn)火花而引爆泄漏的氫氣。因此，如何防止儲氫罐不因外力而受到破損，以及破損以后如何防止氫氣爆炸，是FC-EV的最關(guān)鍵安全性考核因素。目前廣泛使用的700bar高壓鋁瓶，國際上已經(jīng)有數(shù)千次的加壓/減壓測試記錄，應(yīng)該說在抗應(yīng)力疲勞方面是過關(guān)的。為了防止外力損傷，國際幾大汽車公司普遍選擇將儲氫罐放置在后排座椅下面或者后背這個汽車上相比較較安全的部位。一般氣罐旁邊、駕駛室和動力艙都安裝了氫氣傳感器在線檢測氫氣濃度，儲氫罐還安裝了應(yīng)急排放閥，以降低破損以后氫氣的積累。一般而言，燃料動力電池汽車只有在遭受重大交通事故或者應(yīng)力疲勞導(dǎo)致儲氫瓶破損氫氣泄漏的情況下，才有可能引發(fā)諸如爆炸這樣的重大安全問題。通常，氫氣泄露積累到爆炸下限濃度要數(shù)十秒的時間，在氫氣傳感器的警報下乘客有一定的逃離時間。氫氣的特點(diǎn)是非常輕泄漏之后迅速上升，只要通風(fēng)良好在開闊的馬路上一般不會發(fā)生爆炸危險。筆者這里要指出的是，人們關(guān)于氫氣的安全性問題存在一定的認(rèn)識誤區(qū)。日本研究試驗(yàn)結(jié)果表明，在汽油車和氫燃料動力電池汽車分別創(chuàng)造燃料泄露和著火條件下，3秒時汽油車下方漏油著火，而氫氣則是迅速沖高在汽車上方著火。一分半鐘以后燃料動力電池汽車的明火已經(jīng)熄滅，而汽油車火勢正旺最終燒得只剩車架（如上圖所示）。德國BMW、Daimler-Benz和我國汽研中心等國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)也都做過氫燃料動力電池的碰撞、泡水、跌落實(shí)驗(yàn)，儲氫罐的碰撞和灼燒試驗(yàn)以及燃料動力電池汽車整車的碰撞試驗(yàn)，均未出現(xiàn)重大安全問題。當(dāng)然，不管是鋰電純電動汽車還是燃料動力電池汽車，安全性問題都要在量產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模的測試和數(shù)據(jù)采集，才可能有更加深入的認(rèn)識。

大型鋰離子動力鋰電池的BMS安全監(jiān)控重要是依據(jù)電芯溫度和電壓/電流的變化，從我們上面的討論可以看到，鋰離子電池內(nèi)部的熱失控都是鏈?zhǔn)椒艧岙a(chǎn)氣化學(xué)反應(yīng)，也就是說留給BMS的控制時間極其短暫。而燃料動力電池系統(tǒng)的安全隱患則來自氫氣。本質(zhì)上來說，PEMFC電堆的安全問題重要是物理過程（氫氣泄露與控制），而鋰電動力鋰電池則是化學(xué)過程（鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）。實(shí)事求是而言，不管是燃料動力電池系統(tǒng)還是鋰離子動力鋰電池，發(fā)生安全性事故的后果都是極其嚴(yán)重的。但是假如僅僅從控制的角度而言，筆者個人認(rèn)為，燃料動力電池在安全性影響因素的控制方面難度要低于鋰離子動力鋰電池。

2.2 能量密度的瓶頸

當(dāng)前，純電動汽車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化所面對的第一大障礙，就是里程焦慮的問題。關(guān)于純電動汽車而言，其續(xù)航里程是由動力鋰電池系統(tǒng)所能夠釋放出來的電能決定的，因此動力系統(tǒng)的能量密度就成了制約電動汽車?yán)m(xù)航里程的決定性因素。

鋰離子電池的能量密度是否還有進(jìn)一步提升的空間？

BMW的計算表明，消費(fèi)者對純電動汽車可接受的最低實(shí)際行駛里程是300Km（大約是目前普通轎車油箱滿油續(xù)航里程的一半），假如在保持動力鋰電池系統(tǒng)的重量跟現(xiàn)有普通家庭轎車的發(fā)動機(jī)+油箱相差不大的情況下，動力鋰電池系統(tǒng)的能量密度要達(dá)到250Wh/Kg的水平，也就是說單體電芯的能量密度要達(dá)到300Wh/Kg。那么目前的鋰電體系，在滿足安全性、循環(huán)性和其它技術(shù)指標(biāo)的前提下，其能量密度能否達(dá)到300Wh/Kg呢？

關(guān)于鋰離子電池而言，其理論能量密度可以通過正負(fù)極材料比容量和工作電壓進(jìn)行估算。這里，筆者暫且拋開復(fù)雜的電化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的概念，做些通俗易懂的分析?，F(xiàn)有的鋰電體系，其實(shí)只能算是半個高能電池，因?yàn)樗母弑饶芰恐匾墙⒃谪?fù)極極低的電極電勢基礎(chǔ)之上，目前商業(yè)化的幾種過渡金屬氧化物正極材料（LCO、LMO、LFP和NMC）不管是工作電壓還是比容量都并不明顯優(yōu)于水系二次電池的正極材料。因此，要想使鋰電成為真正的高能電池僅有兩條道路：提高電池工作電壓或者提高正負(fù)極材料的比容量。因?yàn)樨?fù)極工作電壓已經(jīng)沒有降低的可能，那么高壓就必須著眼于正極材料。鎳錳尖晶石和富鋰錳基固溶體正極材料（OLO）的充電電壓分別為5V和4.8V，必須采用全新的高壓電解液體系。5V鎳錳尖晶石由于容量較低，實(shí)際上并不能有效提升電池的能量密度。目前OLO的實(shí)際容量可以達(dá)到250mAh/g，已經(jīng)很接近層狀過渡金屬氧化物正極的理論容量。Si/C復(fù)合負(fù)極材料以及硅基合金負(fù)極材料的比容量已經(jīng)達(dá)到600-800mAh/g，這個容量范圍幾乎是其實(shí)用化（保證適當(dāng)循環(huán)性并抑制體積變化）的極限。假如OLO和這兩種高容量負(fù)極搭配，其能量密度大約在300Wh/Kg略高的水平。筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是對3C小電池而言，體積能量密度比質(zhì)量能量密度更為重要。也就是說，層狀正極材料（LCO和NMC）向更高電壓發(fā)展，比目前炒作得很熱門的富鋰錳基固溶體正極更具實(shí)際應(yīng)用價值。目前i-Phone6上基于4.35V高壓LCO的軟包電池比能量已經(jīng)達(dá)到了250Wh/kg，隨著更高電壓LCO技術(shù)的日益成熟，未來采用更高壓的層狀正極材料搭配高容量Si/C復(fù)合負(fù)極或者合金負(fù)極材料，小型3C鋰電的能量密度有可能進(jìn)一步提升到280-300Wh/Kg的水平。

而要想進(jìn)一步提高鋰電的比能量，那么就必須打破現(xiàn)在的嵌入反應(yīng)機(jī)理的束縛,跟其它常規(guī)化學(xué)電源相同采用異相氧化還原機(jī)理，也就是采用金屬鋰做負(fù)極。但是鋰枝晶容易導(dǎo)致短路以及枝晶與電解質(zhì)的強(qiáng)烈反應(yīng)，使問題又回到了鋰離子電池的起始點(diǎn)。其實(shí)，鋰離子電池采用石墨負(fù)極的根本原因，正是因?yàn)槭朵嚮衔锝档土私饘黉嚨母呋钚?。所以，基于嵌入反?yīng)的鋰離子電池其實(shí)是不得已的折衷辦法！

近兩年，國際上有關(guān)金屬鋰負(fù)極的研究掀起了一陣小高潮，比如最近炒作的很熱門的美國SolidEnergy。其實(shí)從基礎(chǔ)研究的角度而言是很好理解的，正如筆者前面提到的，正極材料的容量已經(jīng)沒有多少提高的余地，電解質(zhì)無助于能量密度的提升，那么剩下的也就只能從負(fù)極這塊著手了，使用金屬鋰負(fù)極的電池自然是最終鋰離子電池。理論上，采用固體/聚合物電解質(zhì)或者在液態(tài)電解液添加無機(jī)添加劑都有可能緩解鋰枝晶問題，但是在電芯的實(shí)際生產(chǎn)上會面對諸多技術(shù)困難。正如筆者在安全性章節(jié)里討論過的，以金屬鋰做負(fù)極的最終鋰離子電池能否實(shí)現(xiàn)，安全性問題將是第一決定性因素。筆者個人認(rèn)為，基于無機(jī)固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池（All-solid-stateLi-ionbattery）才有可能讓金屬鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用成為可能。日本Toyota（豐田汽車）是國際上全固態(tài)電池的領(lǐng)頭羊，目前其發(fā)展出的原型電池在技術(shù)水平上遙遙領(lǐng)先其它公司和科研機(jī)構(gòu)，而Toyota在該領(lǐng)域已經(jīng)有近20年的研發(fā)積累。

但是大型動力鋰電池由于諸多技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)格限制，在電極材料的選擇、體系搭配、極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面跟3C小電池有很大不同。這些因素使得即便是相同正負(fù)極搭配體系，大型動力鋰電池的能量密度要比小型容量型電池低不少。比如，基于安全性還有循環(huán)性等多方面因素的考量，動力鋰電池必須維持在較低的電壓（4.2/4.3V）水平，也就是說3C小電池的高電壓策略在動力鋰電池上是不適合的。目前LG的大型三元材料動力單體電池的能量密度已經(jīng)做到了180Wh/Kg的水平。筆者個人認(rèn)為在技術(shù)上仍然有進(jìn)一步提升的空間,未來單體三元動力鋰電池應(yīng)該可以達(dá)到甚至超過200Wh/Kg的水平。但是要在滿足安全性還有循環(huán)性等多方面技術(shù)要求的前提下再進(jìn)一步提升單體電池的能量密度，在技術(shù)上就非常困難了。電芯成組以后能量密度一般會損失20%左右（TeslaModelS損失高達(dá)45%），也就是說鋰離子動力鋰電池系統(tǒng)的能量密度幾乎不可能超過200Wh/Kg的水平。

后鋰電時代（BeyondLIB）有兩個耀眼的新星，它們就是Li-S和Li-Air電池。其實(shí)它們都老掉牙的體系，只是近些年又被重新包裝熱了起來。假如我們仔細(xì)分析這兩個電化學(xué)體系就會發(fā)現(xiàn)，它們的最核心問題仍然是筆者前面討論過的金屬鋰負(fù)極問題。對S正極的研究衍生出了兩個方向，一個是高溫的Na-S電池，日本NGK已經(jīng)有數(shù)十年的產(chǎn)業(yè)化相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。另外一個方向就是目前研究得比較熱門的常溫Li-S電池。Li-S電池的技術(shù)難題很多，單純就電極材料的研究而言S/C復(fù)合正極已經(jīng)不是重要問題，目前的瓶頸重要集中在電解液和負(fù)極兩個方面。假如上升到全電池和電芯生產(chǎn)層面，則工程技術(shù)難度相當(dāng)大，還遠(yuǎn)未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。國際上Li-S電池做得比較好的是美國Polyplus、SionPower和德國BASF，目前單體電芯的能量密度可以達(dá)到400Wh/kg以上的水平，但循環(huán)性還遠(yuǎn)不能滿足實(shí)用要求，并且自放電比較嚴(yán)重。Li-S電池必須解決金屬鋰負(fù)極問題，否則Li-S電池就基本上喪失了高能的優(yōu)勢。再加上Li-S電池獨(dú)有的多硫離子穿梭效應(yīng)，筆者并不認(rèn)為Li-S電池在電動汽車上會有實(shí)際應(yīng)用的可能性，未來Li-S電池在特種和野外這樣一些小眾的特殊領(lǐng)域可能會有一定的應(yīng)用前景。

Li-Air電池的思路和出發(fā)點(diǎn)和鋰硫并不相同，它屬于空氣電池的范疇。有一定電化學(xué)功底的讀者應(yīng)該明白，要想進(jìn)一步較大幅度提高現(xiàn)有電化學(xué)體系的能量密度，就必須考慮利用空氣中的氧氣作為氧化劑，因?yàn)槔碚撋涎鯕獠⒉挥嬋腚姌O活性物質(zhì)重量。按照這個思路就發(fā)展出了各種金屬-空氣電池，相比較較成熟的是一次鋅空電池，而目前研究得最熱門的是二次Li-Air電池。但是在筆者個人看來，金屬-空氣電池特別是二次金屬-空氣電池，實(shí)際上是把二次電池和燃料動力電池兩者的缺點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，并且放大了缺點(diǎn)。