深度 | 新興電動(dòng)汽車市場(chǎng)的電池和燃料電池分析
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-08 09:26
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對(duì)國(guó)外的新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)文獻(xiàn)的翻譯工作，作為學(xué)術(shù)研究和行業(yè)研究的重要組成部分，對(duì)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)事業(yè)的發(fā)展，溝通中外學(xué)術(shù)交流，具有積極作用。本文對(duì)各種化學(xué)電池和燃料電池的相關(guān)性能比較，使我們對(duì)各種電池在長(zhǎng)距離、低成本、高利用率的交通場(chǎng)景中的應(yīng)用及優(yōu)化選擇有了進(jìn)一步的了解，對(duì)于促進(jìn)新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步具有指導(dǎo)作用。
當(dāng)前的電動(dòng)汽車幾乎完全采用鋰離子電池提供動(dòng)力，但電動(dòng)汽車在全球汽車市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位尚有很長(zhǎng)的路要走。
除政策支持外，電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用還需要高性能和低成本的儲(chǔ)能技術(shù)，這些儲(chǔ)能技術(shù)不僅包括電池，還包括各種其他電化學(xué)裝置。在此，我們對(duì)多種電池和在商業(yè)方面最具發(fā)展?jié)摿Φ臍淙剂想姵剡M(jìn)行綜合評(píng)估。
本文將目前鋰離子動(dòng)力電動(dòng)汽車分三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景（或者說(shuō)是市場(chǎng)）進(jìn)行討論，即“長(zhǎng)距離交通”場(chǎng)景、“低成本交通”場(chǎng)景和“高利用率交通”場(chǎng)景，而鋰離子電池在此三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)都不盡人意。要想改善電動(dòng)汽車在此三個(gè)場(chǎng)景中的表現(xiàn)，這些電動(dòng)汽車必須提升的技術(shù)特性包括比能量、成本、安全性和電網(wǎng)兼容性。我們將就這些性能方面有著不同側(cè)重或組合的6大儲(chǔ)能及能源轉(zhuǎn)換技術(shù)在以上每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的情況進(jìn)行比較分析或單獨(dú)評(píng)估。本文的其余部分簡(jiǎn)要討論了這些清潔能源技術(shù)的技術(shù)狀況，以強(qiáng)調(diào)尚需攻克的技術(shù)壁壘。
雖然早在19世紀(jì)初就有了電動(dòng)汽車，但電動(dòng)汽車（EV）的普及是近10年才開(kāi)始。全球電動(dòng)車的銷量從2010年的不到10,000輛逐步上升到2016年的774,000輛，累計(jì)超過(guò)200萬(wàn)輛。汽車電汽化現(xiàn)在被視為幾乎所有道路運(yùn)輸?shù)闹饕吞蓟緩?。因?qū)Τ鞘锌諝赓|(zhì)量的擔(dān)憂，一些國(guó)家提出了限制銷售內(nèi)燃機(jī)車輛（ICEV）和有電動(dòng)車來(lái)替代內(nèi)燃機(jī)車的計(jì)劃。
從技術(shù)角度來(lái)看，電動(dòng)汽車的成功可以歸因于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步。鋰離子電池單體電芯的比能從20世紀(jì)90年代的約90wh/kgcell增長(zhǎng)到今天超過(guò)250wh/kgcell，這就使各種型號(hào)的汽車在標(biāo)準(zhǔn)工況下行駛更遠(yuǎn)的距離。
與此同時(shí)，鋰離子電池組的成本已從超過(guò)1,000美元/kwh降至約250美元/kwh，使電動(dòng)汽車價(jià)格降至消費(fèi)者接受的水平。
圖1揭示了在遵照國(guó)際能源署（IEA）為將全球平均溫升限制在1.75℃之內(nèi)所提路徑方案前提下電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)銷售及其市場(chǎng)份額的變化情況。這個(gè)被稱為攝氏2度情景（B2DS），要求到2060年，累計(jì)電動(dòng)汽車銷售額為18億，電動(dòng)汽車市場(chǎng)份額為86％。圖1中左上角的小圖表所示，2016年電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)銷量約為200萬(wàn)輛，市場(chǎng)份額為0.2％，這表示當(dāng)前全球電動(dòng)汽車的使用還在初級(jí)階段，要達(dá)到2060年的目標(biāo)仍有極大的發(fā)展空間。
到目前為止，電動(dòng)汽車的應(yīng)用受政策措施的很大影響，例如財(cái)政激勵(lì)措施、銷售授權(quán)和免費(fèi)充電等。雖然這些政策可能會(huì)刺激電動(dòng)汽車的擴(kuò)大使用，但在財(cái)政上不可持續(xù)性或許不可能將電動(dòng)汽車的使用擴(kuò)大到達(dá)到圖1中規(guī)定的市場(chǎng)份額所需的水平。此外，鋰電電動(dòng)汽車由于其儲(chǔ)能能力、安全性和可獲得成本的這些固有的特性限制，不確定是否適用于任何汽車市場(chǎng)。
因此，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力的技術(shù)是當(dāng)前的重要關(guān)注點(diǎn)。
在此，我們?cè)u(píng)估了電池和氫燃料電池在改善電動(dòng)汽車性能并降低電動(dòng)汽車的成本方面的發(fā)展?jié)摿?。我們首先?lái)全景描述一下鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)很好的市場(chǎng)滲透的三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的情況，討論若要電動(dòng)汽車在這些市場(chǎng)場(chǎng)景中取得成功需要在能源技術(shù)方面進(jìn)行提升的有哪些。
然后，我們比較和評(píng)估了五種電池的屬性，這五種電池通常被認(rèn)為有望替代鋰離子電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。最后，我們提供了除氫燃料電池之外的每個(gè)電池的簡(jiǎn)要狀態(tài)評(píng)估，并討論了這些電池能滿足新興電動(dòng)汽車市場(chǎng)技術(shù)需求的發(fā)展?jié)摿Α?/div>
新興電動(dòng)汽車市場(chǎng)中的儲(chǔ)能技術(shù)壁壘
下面，我們就三個(gè)不同應(yīng)用場(chǎng)景（即“長(zhǎng)距離交通”、“低成本交通”和“高利用率交通”）對(duì)所需提升的儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)特性作一個(gè)概述。
“長(zhǎng)距離交通”場(chǎng)景。行駛距離短或“行程焦慮”的技術(shù)問(wèn)題常被看作是消費(fèi)者不選擇電動(dòng)汽車的因素。也許是因?yàn)榕c其他發(fā)達(dá)地區(qū)相比，美國(guó)人的旅行距離要求更長(zhǎng)而對(duì)公共交通的依賴程度更低，在美國(guó)，人們尤其希望電動(dòng)汽車有更長(zhǎng)的行駛里程。2016年的調(diào)查中，超過(guò)一半（54％）的美國(guó)消費(fèi)者考慮購(gòu)買電動(dòng)車的行駛范圍至少175英里（282公里），超過(guò)四分之一的美國(guó)消費(fèi)者（29％）需要行駛范圍375英里（604公里）的電動(dòng)車。
盡管電動(dòng)車能夠?qū)⑷剂铣杀窘档腿种唬?2％的受訪者依然不能接受在汽油動(dòng)力車的基礎(chǔ)上多花費(fèi)5000美元去購(gòu)買電動(dòng)汽車，而29％的受訪者甚至連1000美金的額外費(fèi)用也不愿支付。
在圖2中，是與普通燃油車進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)前美國(guó)市場(chǎng)上銷售的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程及其高出同型號(hào)燃油車的價(jià)格（一下簡(jiǎn)稱“溢價(jià)”）的對(duì)照比較情況。值得注意的是，每輛電動(dòng)車的成本至少比其相同車型燃油車的平均車價(jià)高出5000美元。
雖然有其他因素像如低產(chǎn)量和額外的汽車特性，會(huì)提升電動(dòng)車的成本，但就電動(dòng)車行駛里程和價(jià)格溢價(jià)之間的正相關(guān)性可見(jiàn)，電池的成本為車輛成本增加的一大因素。對(duì)一款針對(duì)美國(guó)消費(fèi)者的里程滿足購(gòu)買意愿車型（延續(xù)上文提到的消費(fèi)者）調(diào)查繪制了一個(gè)需求邊界曲線圖標(biāo)，圖表顯示52%-54％的美國(guó)消費(fèi)者要求價(jià)格溢價(jià)和行駛范圍低于上限要求的電動(dòng)車，29％的美國(guó)消費(fèi)者要求電動(dòng)車的價(jià)格溢價(jià)和行駛范圍低于要求下限。
該圖表明，如果沒(méi)有政府激勵(lì)措施，目前可用的電動(dòng)汽車甚至不能滿足50％美國(guó)消費(fèi)者的需求。
近來(lái)的預(yù)測(cè)顯示，由于生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提高，到2030年或2040年，鋰離子電池組模塊的成本將降至接近70美元/千瓦時(shí)。如果調(diào)整2017年的電動(dòng)車價(jià)格以反映這一趨勢(shì)，三款車型（雪佛蘭Bolt、現(xiàn)代Ioniq電動(dòng)車和特斯拉Model 3）超過(guò)了美國(guó)50％的消費(fèi)者需求門檻。然而，能反映這一價(jià)格趨勢(shì)的的電動(dòng)汽車仍遠(yuǎn)無(wú)法滿足近30％的美國(guó)消費(fèi)者的要求，甚至可能也無(wú)法滿足其他的高度依賴汽車的國(guó)家的消費(fèi)者。即使車輛價(jià)格中不考慮儲(chǔ)能成本的因素，目前也沒(méi)有一款電動(dòng)車能滿足這30％的美國(guó)消費(fèi)者對(duì)于行駛里程的需求。
因此，在不增加成本的情況下顯著改善電動(dòng)車的行駛范圍似乎是滿足“長(zhǎng)距離交通”市場(chǎng)需求的唯一方式。這就需要通過(guò)增加車輛存儲(chǔ)的能量密度（Wh/ kg）來(lái)減輕車輛重量。然而，就鋰電子電池來(lái)說(shuō)，顯著增加比能需要金屬鋰陽(yáng)極材料、提升電池電壓或減少安全組件等措施，所有這些出于對(duì)安全性的權(quán)衡是不可接受的。固態(tài)鋰離子電池是安全引入鋰金屬和高壓材料的最有可能的途徑之一; 然而，迄今為止報(bào)道的電池，要么是具有不可接受的低面積容量（小于1 mAh /cm2，這意味著比最先進(jìn)的鋰離子電池更低的比能量），要么是不可接受的低循環(huán)壽命（20個(gè)循環(huán)或更少）。
即使是具有鋰金屬陽(yáng)極的高度優(yōu)化的鋰離子電池實(shí)際上可能也不會(huì)超過(guò)350 Wh/ l cell。因此，需要采用具有更高比能、更低成本和更安全的替代電池的化學(xué)機(jī)制和儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)輸市場(chǎng)的電動(dòng)化。
“低成本交通”場(chǎng)景。電動(dòng)汽車的價(jià)格與其對(duì)應(yīng)的行駛里程，可能會(huì)成為車主越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題。圖3顯示通過(guò)數(shù)據(jù)擬合手段對(duì)一組特定國(guó)家的汽車（包括電動(dòng)車和傳統(tǒng)燃油機(jī)汽車）注冊(cè)數(shù)據(jù)所作的車型選擇非線性分布分析結(jié)果。對(duì)于每增加一公里行駛里程，美國(guó)消費(fèi)者愿意支付額外的21美元，而新興國(guó)家（如中國(guó)、印度、巴西和印度尼西亞）的消費(fèi)者平均只愿意多支付8.4美元。
圖3揭示了與各個(gè)國(guó)家汽車價(jià)格對(duì)應(yīng)的羅吉特模型消極因素，該因素衡量?jī)r(jià)格上漲而降低消費(fèi)者購(gòu)買汽車的意愿程度的指標(biāo)。整體而言，新興國(guó)家的消極因素明顯高于美國(guó)。中國(guó)則是一個(gè)例外，數(shù)據(jù)表明更高的價(jià)格卻驚人的增加了汽車購(gòu)買的可能性。盡管如此，包括兩輪車和三輪車在內(nèi)的更便宜、更小巧的低速電動(dòng)汽車在中國(guó)的高銷量，與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(截至2016年，總銷量超過(guò)2億輛)相比，表明中國(guó)與印度、巴西和印尼一樣，對(duì)低成本交通工具有著強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求。
中國(guó)等新興市場(chǎng)的電動(dòng)汽車價(jià)格溢價(jià)與發(fā)達(dá)國(guó)家相似。隨著新興國(guó)家的工業(yè)化發(fā)展，低成本的交通運(yùn)輸市場(chǎng)預(yù)計(jì)將會(huì)迅速成長(zhǎng)，但目前鋰動(dòng)力電動(dòng)車明顯不足。如果將圖2中緊湊型和超小型汽車的電池能量與車輛行駛距離繪制成圖，其斜率為0.19 kWh /km (表示每增加一公里里程的能耗)。對(duì)于新興國(guó)家，平均支付意愿(如上所述為8.4美元/km)除以0.19 kWh /km，以獲得大約45美元/kWh的儲(chǔ)能成本目標(biāo)。因此，開(kāi)發(fā)一種成本低于45美元/kwh的電化學(xué)儲(chǔ)存技術(shù)是在新興市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸電汽化的一個(gè)有價(jià)值的方向。
換句話說(shuō)，成本低于45美元/Kwh的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于新興國(guó)家實(shí)現(xiàn)交通電汽化發(fā)展目標(biāo)是可行的，或者說(shuō)，與鋰離子電池價(jià)格相當(dāng)?shù)饶芰扛叩钠渌夹g(shù)也是可行的。
“高利用率交通”場(chǎng)景。與消費(fèi)型的車輛相比，那些利用率更高的汽車（即投入使用的時(shí)間占比高）是導(dǎo)致氣候變化和空氣質(zhì)量變差的一個(gè)重要因素。例如，2015年貨運(yùn)車輛占全球運(yùn)輸業(yè)二氧化碳排放量的三分之一左右，隨著乘用車變得更加省油，這一比例在工業(yè)化國(guó)家中會(huì)進(jìn)一步增加。因此，將公共交通和貨物運(yùn)輸從傳統(tǒng)車輛過(guò)渡到高利用率電動(dòng)車這一挑戰(zhàn)亟待解決。
高利用率對(duì)電動(dòng)汽車中使用的儲(chǔ)能技術(shù)的有更高的要求。首先，快速充電（例如，充電時(shí)長(zhǎng)小于一小時(shí)）成為更重要的考慮因素，車輛充電所需的時(shí)間不應(yīng)該對(duì)車輛的運(yùn)行時(shí)間表造成影響。多個(gè)國(guó)家已經(jīng)部署能夠?qū)崿F(xiàn)快充的鋰離子電池電動(dòng)巴士，并在公交站點(diǎn)專門為電動(dòng)巴士設(shè)計(jì)了快充裝置；
然而，這可能導(dǎo)致電池的衰減和安全問(wèn)題的增加。多輛電動(dòng)車的同時(shí)快速充電也會(huì)對(duì)電網(wǎng)的部件造成過(guò)大的壓力，這就需要昂貴的技術(shù)升級(jí)。 因此，高利用率電動(dòng)車與電網(wǎng)之間平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)快速充電，是一個(gè)需要考慮的重要方面。
許多高利用率車輛（例如卡車，公共汽車和火車）的另一個(gè)關(guān)鍵特征是其相對(duì)于個(gè)人運(yùn)輸車輛的較大重量。鋰離子電池組必須按比例調(diào)整到更大的尺寸，保證這些車輛行駛等同的距離。但較大電池組的低表面與體積比意味著散熱較慢，往往也會(huì)導(dǎo)致電池的衰減和安全問(wèn)題增加，甚至需要使用昂貴或有毒化學(xué)品的復(fù)雜冷卻技術(shù)。因此，具有更高比能量和安全性更高的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)（例如，非易燃材料）對(duì)于高利用率的電動(dòng)車尤其具有吸引力。
多種可替代電化學(xué)技術(shù)評(píng)估
前一節(jié)指出，對(duì)于續(xù)航里程更長(zhǎng)、成本更低的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，增加比能或降低儲(chǔ)能成本(與鋰離子電池相比)至關(guān)重要，而快速充電、電網(wǎng)兼容性和安全運(yùn)行對(duì)于高利用率的電動(dòng)汽車至關(guān)重要。當(dāng)然，鋰離子電池表現(xiàn)出其他儲(chǔ)能手段無(wú)法比擬的特性。
圖4所示，比較了除鋰離子電池外，其它幾種被認(rèn)為可用于電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)的比較。其中安全評(píng)級(jí)由電解質(zhì)的類型(易燃或非易燃)、熱失控風(fēng)險(xiǎn)機(jī)率和有毒或腐蝕性物質(zhì)泄漏機(jī)率等決定。對(duì)每個(gè)電池的快速充電能力是根據(jù)其功率密度進(jìn)行半定量評(píng)定，而對(duì)每個(gè)電池的電網(wǎng)兼容性是根據(jù)其能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行半定量評(píng)定。由于能夠在不中斷電網(wǎng)傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)氫氣的快速傳輸，則氫燃料電池具有最高的快速充電和電網(wǎng)兼容性。
要注意的是，圖4中氫氣儲(chǔ)能的特點(diǎn)(比能、能量密度和儲(chǔ)能成本)不應(yīng)該忽略掉氫燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和成本等因素而直接與其他各種化學(xué)電池的能量特性進(jìn)行比較。與其他普通電池不同的是，氫燃料電池組合的總能量(即儲(chǔ)存的氫氣總量)可以通過(guò)燃料電池的總功率單獨(dú)增加。由于這種根本區(qū)別，氫燃料電池不包括在下面的分析中；氫燃料電池與鋰離子電池的評(píng)估在一個(gè)獨(dú)立的部分中。
