2018年國內(nèi)電動車市場滲透率大幅提高，市場對電動汽車的續(xù)航里程短、電池著火、電池壽命短等問題也不斷提出質(zhì)疑。這讓電車產(chǎn)業(yè)陷入了技術(shù)提升速度跟不上產(chǎn)業(yè)發(fā)展的尷尬境地。豐田的燃料電池汽車量產(chǎn)，使市場焦點聚焦到了燃料電池技術(shù)路線。另外，固態(tài)鋰電池具有高安全、高能量密度特征，也開始受到市場關(guān)注。究竟哪一個技術(shù)路線代表新能源汽車的未來？本文客觀分析這兩項技術(shù)優(yōu)劣勢，為預(yù)測未來新能源汽車發(fā)展技術(shù)路線提供依據(jù)。

 

需要說明的是，本文討論的燃料電池僅僅指氫燃料電池。討論范圍主要限于氫燃料電池及固態(tài)鋰電池主要基于以下原因：1、目前液態(tài)鋰離子電池已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于新能源汽車，固態(tài)鋰電池屬于液態(tài)鋰電體系升級版本，未來在新能源汽車領(lǐng)域有大規(guī)模應(yīng)用可能性；2、氫燃料電池已經(jīng)在新能源汽車領(lǐng)域有一定應(yīng)用，大多數(shù)新能源廠商也主推氫燃料電池。

 

接下來，本文從產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品特性和產(chǎn)業(yè)鏈三個角度展開討論：

 

 

 

一、 產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)分析

 

鋰電池技術(shù)發(fā)展較早，1991年索尼第一個將鋰電池商品化，隨著技術(shù)不斷進步，已經(jīng)發(fā)展成為目前大規(guī)模應(yīng)用于電子產(chǎn)品和電動車的液態(tài)鋰離子電池體系。固態(tài)鋰電池是在對傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子體系進行大幅改進之后的產(chǎn)品。如下為二者結(jié)構(gòu)差異。

 

 

 

固態(tài)鋰電池采用固體電解質(zhì)，不需要隔離膜，且可應(yīng)用高電壓正極材料（液態(tài)鋰離子電池難以應(yīng)用），負極以金屬鋰替代石墨，其能量密度可以大幅提升。固態(tài)鋰電池沒有有機液體，其安全性能大幅提升?？傮w來看，固態(tài)鋰電池需要基礎(chǔ)材料重大創(chuàng)新和工藝技術(shù)持續(xù)優(yōu)化，才能逐步達到穩(wěn)定應(yīng)用水平，并逐步取代現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池。

 

 

氫燃料電池技術(shù)與鋰電池技術(shù)存在較大差異，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較鋰電池體系更高。以上討論的鋰電池體系基本模型結(jié)構(gòu)均為可逆電化學(xué)池結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)為封閉系統(tǒng)，不需要大量額外控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。氫燃料電池核心是氫氧反應(yīng)電化學(xué)池，但其系統(tǒng)控制過程更為復(fù)雜。作為一個開放系統(tǒng)，氫燃料電池需要控制氫氣、空氣、熱量等，因此其控制難度遠遠超過鋰離子電池。如下圖為氫燃料電池系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)，其包括氫氣存儲系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、電堆反應(yīng)系統(tǒng)及一些輔助系統(tǒng)。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)可以借用現(xiàn)有技術(shù)持續(xù)改進和優(yōu)化升級，技術(shù)難度相對較低。氫氣存儲系統(tǒng)、電堆系統(tǒng)則需要基礎(chǔ)材料如耐壓材料、催化劑等重大創(chuàng)新和工藝技術(shù)持續(xù)優(yōu)化。

 

 

從基礎(chǔ)技術(shù)層面來看，固態(tài)鋰電池、氫燃料電池均需要在關(guān)鍵基礎(chǔ)材料方面進行重大創(chuàng)新，而基礎(chǔ)材料的創(chuàng)新是難度極大，相關(guān)材料的開發(fā)時間周期很長。因此，固態(tài)鋰電池和氫燃料電池在基礎(chǔ)技術(shù)層面屬于同等級難度。

 

 

 

二、產(chǎn)品特性比較

 

產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)和特征決定了產(chǎn)品性能、應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)水平?jīng)Q定了其現(xiàn)有應(yīng)用情況。我們以目前液態(tài)鋰離子電池作為基本參考，與固態(tài)鋰電池、氫燃料電池進行對比。目前液態(tài)鋰離子電池已經(jīng)較為成熟，主要缺點為續(xù)航和安全性。固態(tài)鋰電池技術(shù)尚不成熟，使用壽命不足，能量密度優(yōu)勢尚未體現(xiàn)。氫燃料電池應(yīng)用不及液態(tài)鋰離子電池廣泛，但目前標(biāo)桿企業(yè)產(chǎn)品性能已經(jīng)非常好，完全能夠滿足車用要求，其續(xù)航里程有了大幅提升，在安全性方面也有較好保障。

 

 

在安全性方面，液態(tài)鋰電池具有本征不安全性，內(nèi)部缺陷及濫用均可能導(dǎo)致起火、爆炸，眾多手機爆炸、電動車起火等事件可以驗證。固態(tài)鋰電池在汽車應(yīng)用不多，沒有足夠的樣本加以驗證，但基礎(chǔ)試驗證實其安全性大大優(yōu)于液態(tài)鋰電池，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能反映其安全性優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池（主要基于兩點：1、固體電解質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易揮發(fā)、不易燃燒、不存在SEI等不穩(wěn)定成分；2、固體電解質(zhì)在電池內(nèi)部短路時會受熱膨脹，使短路點分開，同時高溫會使電解質(zhì)失效，切斷鋰離子通路）。

 

 

氫燃料電池本征不安全主要體現(xiàn)在高壓氫氣，高壓氫氣系統(tǒng)失效和濫用，均可能導(dǎo)致安全問題，目前高壓氫氣使用過程中已經(jīng)出現(xiàn)一些安全事故。筆者認(rèn)為氫燃料電池安全性優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池：高壓氫氣具有較高能量，它與電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)（電堆）是分開的，因此在反應(yīng)失效時，可以通過各種手段停止供應(yīng)氫氣，劇烈的化學(xué)反應(yīng)即被阻斷，避免爆炸危險。液態(tài)鋰離子電池能量載體和電化學(xué)反應(yīng)器是合二為一的，一旦電化學(xué)反應(yīng)器破壞，劇烈的化學(xué)反應(yīng)將難以阻止，大概率會發(fā)生爆炸、起火。單獨的高壓氫氣，需要泄露及明火條件，才可能發(fā)生爆炸。高壓氫氣屬于危化品范疇，但通過有效的管控措施，高壓氫氣安全性可以得到有效保障。

 

另外在基礎(chǔ)設(shè)施配套方面，存在較大差異。電網(wǎng)如同毛細血管一樣覆蓋了全球經(jīng)濟活躍區(qū)域，電網(wǎng)基本隨處可達，目前國內(nèi)已經(jīng)安裝了近20萬根公共充電樁，主要集中在大中城市。另外大多數(shù)電動車車主配有便攜式充電樁，其數(shù)量遠超20萬。中小功率充電樁價格數(shù)千元，即使大功率充電樁價格也僅僅數(shù)萬元，因此其價格不能構(gòu)成構(gòu)成充電樁建設(shè)的障礙。加氫站建設(shè)，若采取氫氣管網(wǎng)輸送，管網(wǎng)建設(shè)將是一項浩大工程，若采取車輛運送，需要投入大量專用車輛進行運輸，且需要特殊安全監(jiān)管。另外一座小型加氫站，設(shè)備投入成本至少數(shù)百萬元。若采取分布式電解制氫，一方面設(shè)備投入成本將遠遠超過同規(guī)模充電站成本，且氫氣使用成本將大幅高于直接充電（后面將加以說明）。總體來看，氫燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度遠遠大于充電設(shè)施建設(shè)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是氫燃料電池汽車發(fā)展主要障礙之一。

 

在電池系統(tǒng)成本方面，氫燃料電池與固態(tài)鋰電池存在較大差異。為了便于比較、簡化分析，以固態(tài)鋰電池和氫燃料電池目前市場應(yīng)用情況進行比較。固態(tài)鋰電池并非新興技術(shù)，早在2000年代，多家企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出微型固態(tài)鋰電池。由于其結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，其在有源芯片，微型醫(yī)療設(shè)備、消費電子領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。如Cymbet成立如2000年，其主要產(chǎn)品為固態(tài)鋰電池廣泛應(yīng)用于微型芯片、醫(yī)用設(shè)備、消費電子等領(lǐng)域。獲得軟銀資本投資的臺灣輝能科技主要產(chǎn)品仍然面向特殊類型消費類電子產(chǎn)品（目前正在嘗試向電動汽車等大型設(shè)備領(lǐng)域擴張）。最近幾年多家廠商開始加速布局車用固態(tài)鋰電池，而早期的應(yīng)用集中在小型甚至微型設(shè)備領(lǐng)域，固態(tài)鋰電池因結(jié)構(gòu)簡單，在小型設(shè)備領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢。