鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)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(jì)70年代時(shí)，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長(zhǎng)期沒有得到應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)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。可充電電池的第五代產(chǎn)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(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

 

　　

　　氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過(guò)陽(yáng)極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陰極。

 

　　氫燃料電池特點(diǎn)無(wú)污染燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲(chǔ)能（蓄電池）方式－－最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會(huì)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(huì)產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過(guò)可再生能源產(chǎn)生的（光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等），整個(gè)循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過(guò)程。

 

　　無(wú)噪聲燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有55dB，相當(dāng)于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內(nèi)安裝，或是在室外對(duì)噪聲有限制的地方。

 

　　高效率燃料電池的發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上，這是由燃料電池的轉(zhuǎn)換性質(zhì)決定的，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不需要經(jīng)過(guò)熱能和機(jī)械能（發(fā)電機(jī)）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(jìn)步本質(zhì)上就是能量輸出強(qiáng)度的進(jìn)步。早期的農(nóng)業(yè)文明，動(dòng)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(jì)只能在低水平不斷循環(huán);18世紀(jì)工業(yè)革命后，隨著蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的推廣，基礎(chǔ)能源變?yōu)橐悦禾俊⑹蜑榇淼幕茉?，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(zhǎng)。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(duì)主導(dǎo)地位。但展望未來(lái)，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(dǎo)能源！

 

　　石油時(shí)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(wú)法支撐人口進(jìn)一步的增長(zhǎng)?；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(guò)去20年的消費(fèi)增速線性外推，全球已探明石油儲(chǔ)量只能支撐30年，即使技術(shù)進(jìn)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(duì)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(huì)越來(lái)越高。這最終也會(huì)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(jì)意義上的石油枯竭恐怕還會(huì)來(lái)的更早。未來(lái)誰(shuí)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(shuí)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(shì)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(gè)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(jìng)爭(zhēng)核心就是能量密度vs成本的競(jìng)爭(zhēng)。成本下降是個(gè)工程問題，可以通過(guò)商業(yè)化來(lái)解決，而能量密度面對(duì)的卻是基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的瓶頸，基本上是無(wú)解。因此本質(zhì)上兩者的區(qū)別是“道與術(shù)”的區(qū)別，長(zhǎng)期看，燃料電池?zé)o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(gè)清晰的主線邏輯，就是能量密度出現(xiàn)數(shù)量級(jí)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(shì)，才有能力顛覆傳統(tǒng)能源憑借著長(zhǎng)期發(fā)展建立起來(lái)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(shì)不可擋。如汽油車比電動(dòng)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(shì)，摧枯拉朽般的替代了電動(dòng)車。

 

 

 

　　近幾十年雖然各國(guó)都在大力推廣電動(dòng)車，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過(guò)往的電動(dòng)車都違反了能量密度提升這個(gè)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(wú)法出現(xiàn)10倍速的改進(jìn)。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(dòng)機(jī)的做功效率還是內(nèi)燃機(jī)的2倍，實(shí)際密度是汽油的6倍，優(yōu)勢(shì)明顯。而且從人類過(guò)去百年的能源進(jìn)化史看，其本質(zhì)上就是碳?xì)浔鹊恼{(diào)整史，氫含量越高，能量密度越高，未來(lái)從碳能源轉(zhuǎn)向氫能源是大勢(shì)所趨，因此采用氫能源的燃料電池?zé)o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(jī)動(dòng)車性能主要為續(xù)航能力、充電/充氫時(shí)間、輸出功率和安全性等。燃料電池能量密度遠(yuǎn)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(shì)，即使是和鋰電池的頂級(jí)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(dòng)力電池系統(tǒng)，相應(yīng)最高時(shí)速和百公里加速指標(biāo)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(duì)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(zhǔn)。

 

　　能量密度比較

 

　　鋰電池作為蓄電池的一種，是個(gè)封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運(yùn)行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級(jí)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(shí)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(wú)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(dá)到也只有燃料電池的1/120，可謂輸在起跑線上。