“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經成為了主流。

 

　　鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的?？沙潆婋姵氐牡谖宕a品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制，現(xiàn)在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。

 

　　

 

　　氫燃料電池

　　氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。

 

　　氫燃料電池特點無污染燃料電池對環(huán)境無污染。它是通過電化學反應，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式－－最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述，燃料電池只會產生水和熱。如果氫是通過可再生能源產生的（光伏電池板、風能發(fā)電等），整個循環(huán)就是徹底的不產生有害物質排放的過程。

 

　　無噪聲燃料電池運行安靜，噪聲大約只有55dB，相當于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內安裝，或是在室外對噪聲有限制的地方。

 

　　高效率燃料電池的發(fā)電效率可以達到50%以上，這是由燃料電池的轉換性質決定的，直接將化學能轉換為電能，不需要經過熱能和機械能（發(fā)電機）的中間變換。

 

　　

 

　　氫燃料電池和鋰電池比較分析

　　全球能源格局臨近大變革前夜

 

　　縱觀人類歷史，文明的進步本質上就是能量輸出強度的進步。早期的農業(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，隨著蒸汽機和內燃機的推廣，基礎能源變?yōu)橐悦禾俊⑹蜑榇淼幕茉矗芰棵芏忍嵘松习俦?，GDP也終于突破了“馬爾薩斯陷阱”的束縛，呈現(xiàn)了指數型的增長。目前全球能源結構為原油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構已經到了再次大變革的前夜，石油將有望在30年內被全面替代，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。化石能源作為不可再生資源，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)展就已經如火如荼，因此經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)有的電網系統(tǒng)，相比燃料電池整個加氫和供氫的配套網絡都要從頭建設，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科學領域的瓶頸，基本上是無解。因此本質上兩者的區(qū)別是“道與術”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網絡和工業(yè)配套，并逆轉其巨大的使用慣性。這也有些類似英爾特創(chuàng)始人格魯夫在IT領域提出的10倍速原理，即能夠成功顛覆的新技術一旦出現(xiàn)，基本就是星火燎原、勢不可擋。如汽油車比電動車出現(xiàn)要晚20年，早期技術也更為不成熟，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，基礎能量密度是汽油的3倍，電動機的做功效率還是內燃機的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，其本質上就是碳氫比的調整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉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，即使是和鋰電池的頂級豪車Tesla相比也是大幅領先。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)化的技術難度極大，幾十年內都無望突破。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，對應汽油車油箱為30L，但電動機體積比內燃機小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。