燃料電池vs鋰電池：成本及安全性比較分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-03 12:10
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縱觀人類歷史，文明的進步本質(zhì)上就是能量輸出強度的進步。早期的農(nóng)業(yè)文明，動力以人畜、木柴等生物能為主，輸出功率非常有限，還受到土地承載能力的限制，經(jīng)濟只能在低水平不斷循環(huán)；18世紀工業(yè)革命后，隨著蒸汽機和內(nèi)燃機的推廣，基礎(chǔ)能源變?yōu)橐悦禾?、石油為代表的化石能源，能量密度提升了上百倍，GDP也終于突破了“馬爾薩斯陷阱”的束縛，呈現(xiàn)了指數(shù)型的增長。目前全球能源結(jié)構(gòu)為原油33%，天然氣24%、煤炭30%，核電4%、水電7%和新能源2%，化石能源居于絕對主導地位。但展望未來，我們判斷人類能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)到了再次大變革的前夜，石油將有望在30年內(nèi)被全面替代，以燃料電池為代表的氫能源將成為新的主導能源！
石油時代將被全面替代
農(nóng)耕文明發(fā)展后期面臨的最大問題就是，有限的土地資源最終無法支撐人口進一步的增長?；茉醋鳛椴豢稍偕Y源，同樣面臨著資源稀缺性的制約。按照過去20年的消費增速線性外推，全球已探明石油儲量只能支撐30年，即使技術(shù)進步能將石油壽命再延續(xù)幾十年，但總還是有用光的一天，相對于人類還要持續(xù)至少千年的歷史，仍然沒有意義。而且考慮到目前勘探程度已經(jīng)很充分，在發(fā)現(xiàn)低成本大油田的概率很低，潛在供給的開采成本會越來越高。這最終也會刺激替代能源商業(yè)化的大幅提速，如現(xiàn)在鋰電池車的發(fā)展就已經(jīng)如火如荼，因此經(jīng)濟意義上的石油枯竭恐怕還會來的更早。未來誰能全面替代石油，成為新一代的車用燃料就成為非常關(guān)鍵的問題。
燃料電池vs鋰電池誰將勝出
目前替代石油車的主流技術(shù)路線就是鋰電池和燃料電池。燃料電池最大優(yōu)勢就是能量密度高，是鋰電池的120倍。但鋰電池起步早，商業(yè)化程度更高，整車成本也更低，且充電可以利用現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)，相比燃料電池整個加氫和供氫的配套網(wǎng)絡(luò)都要從頭建設(shè)，成本也要更低。因此這兩者的競爭核心就是能量密度vs成本的競爭。成本下降是個工程問題，可以通過商業(yè)化來解決，而能量密度面對的卻是基礎(chǔ)科學領(lǐng)域的瓶頸，基本上是無解。因此本質(zhì)上兩者的區(qū)別是“道與術(shù)”的區(qū)別，長期看，燃料電池無疑潛力更大，也最有望成為下一代車用基礎(chǔ)能源。
能量密度提升是主線邏輯
人類歷史上每一次成功的能源變革，都有一個清晰的主線邏輯，就是能量密度出現(xiàn)數(shù)量級上的躍升。如煤炭比木柴高160倍，石油比煤炭也要高2倍。新能源只有具備能量密度上碾壓性的優(yōu)勢，才有能力顛覆傳統(tǒng)能源憑借著長期發(fā)展建立起來的完善的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)配套，并逆轉(zhuǎn)其巨大的使用慣性。這也有些類似英爾特創(chuàng)始人格魯夫在IT領(lǐng)域提出的10倍速原理，即能夠成功顛覆的新技術(shù)一旦出現(xiàn)，基本就是星火燎原、勢不可擋。如汽油車比電動汽車出現(xiàn)要晚20年，早期技術(shù)也更為不成熟，但還是憑借著能量密度高的優(yōu)勢，摧枯拉朽般的替代了電動車。
近幾十年雖然各國都在大力推廣電動車，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過往的電動車都違反了能量密度提升這個能源變革的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰電池車，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業(yè)自然遲遲無法出現(xiàn)10倍速的改進。但燃料電池的出現(xiàn)卻徹底改變了這一現(xiàn)狀。其以氫氣為原料，基礎(chǔ)能量密度是汽油的3倍，電動機的做功效率還是內(nèi)燃機的2倍，實際密度是汽油的6倍，優(yōu)勢明顯。而且從人類過去百年的能源進化史看，其本質(zhì)上就是碳氫比的調(diào)整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉(zhuǎn)向氫能源是大勢所趨，因此采用氫能源的燃料電池無疑更能代表歷史發(fā)展的方向，最有望成為下一代的基礎(chǔ)能源。
機動車性能主要為續(xù)航能力、充電/充氫時間、輸出功率和安全性等。燃料電池能量密度遠高于鋰電池，相應(yīng)電池容量，快充能力和續(xù)航里程就具備了天然的優(yōu)勢，即使是和鋰離子電池的頂級豪車Tesla相比也是大幅領(lǐng)先。但其功率密度不高，最大輸出功率取決于輔助的動力電池系統(tǒng)，相應(yīng)最高時速和百公里加速指標和鋰電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車，對應(yīng)45度鋰電池車和輸出功率100KW燃料電池車作為分析基準。
能量密度比較
鋰電池作為蓄電池的一種，是個封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。但鋰已經(jīng)是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極，但能量密度其實也只有汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術(shù)難度極大，幾十年內(nèi)都無望突破。因此鋰電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使達到也只有燃料電池的1/120，可謂輸在起跑線上。
體積能量密度比較
燃料電池的原料氫氣主要缺點就是體積能量密度不高，現(xiàn)在基本上是采用加壓來解決這個問題。按照現(xiàn)行的700個大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，燃料電池儲氫罐體積為100L，重量為30KG，對應(yīng)汽油車油箱為30L，但電動機體積比內(nèi)燃機小80L，總體積相差不大。鋰電池車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術(shù)路線，代表企業(yè)為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要輔助的安全保護設(shè)備，跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠高于燃料電池。展望未來如果儲氫合金和低溫液態(tài)儲氫技術(shù)能夠突破，燃料電池體積能量密度將分別增加1.5倍和2倍，優(yōu)勢會更為明顯。
燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，為了最大提高放電功率必須附加動力電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個開放的動力系統(tǒng)，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不需要考慮儲能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對電池壽命的要求也不高，在真實工況下的使用限制很少。鋰電池雖然理論放電效率很高，但為了不傷害電池壽命，使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實驗室中的電池循環(huán)壽命也會縮短到只有600次，真實工況下會進一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達310KW，但實際放電倍率也只有4C。而且鋰電池作為能量密度不高的封閉儲能體系，高功率放電和高續(xù)航里程基本很難兼容，除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。
安全性比較
除了上述指標，安全性對于機動車來說無疑也非常關(guān)鍵。鋰電池作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，否則就等同于炸彈。因此現(xiàn)在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達到500-600度時才開始分解，基本不需要太多的保護輔助設(shè)備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250-350度就會分解，安全性差。其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險，即使如此也還需要結(jié)合一套復雜的電池保護設(shè)備。并且前期發(fā)生的幾次事故，雖然得益于Telsa的安全設(shè)計并沒有出現(xiàn)人員傷亡，但就事故本身而言，其實都是非常輕微的碰撞，車身也沒有收到什么傷害，但電池卻著火了，也側(cè)面反映了其安全性上天然的劣勢。
燃料電池由于原料氫氣易燃易爆，市場普遍擔心其安全性問題。但如我們下表的數(shù)據(jù)，相比汽油蒸汽和天然氣這兩種常見的車用可燃氣體，氫氣的安全性并不差，甚至還略好?，F(xiàn)在車用儲氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發(fā)無損。即使車禍導致泄露，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。而汽油為液態(tài)，鋰電池為固態(tài)，很難在大氣中上升，燃燒都在車艙底部，整車會迅速著火報廢。氫氣儲運環(huán)節(jié)其實和LNG非常類似，只是所需壓力更大，隨著商業(yè)化推進，其整體安全性也還是可控的。
電池車的成本主要分為整車成本、原料成本、配套成本。目前對燃料電池詬病最多就是成本太高，但用發(fā)展的眼光看，隨著技術(shù)進步和商業(yè)化程度提高，其成本下降的空間很大。而鋰電池如果考慮到電網(wǎng)端擴容的成本，其實綜合配套成本還高于燃料電池，
