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(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，可以通過商業(yè)化來解決，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。

1.3

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。

2

燃料電池vs鋰電池性能比較

      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（實(shí)際工況下還是要好很多）。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)。

 

2.1

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（順便科普一下，石墨烯是負(fù)極材料問題，即使突破也不改變正極能量密度）。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。 

2.2

體積能量密度比較

      燃料電池的原料氫氣主要缺點(diǎn)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(gè)問題。按照現(xiàn)行的700個(gè)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(chǔ)氫罐體積為100L，重量為30 KG，對(duì)應(yīng)汽油車油箱為30L，但電動(dòng)機(jī)體積比內(nèi)燃機(jī)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(hù)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(yuǎn)高于燃料電池。展望未來 如果儲(chǔ)氫合金和低溫液態(tài)儲(chǔ)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(shì)會(huì)更為明顯。

 

2.3

功率密度比較

      燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學(xué)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(dòng)力電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個(gè)開放的動(dòng)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(chǔ)能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對(duì)電池壽命的要求也不高，在真實(shí)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(gè)區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實(shí)驗(yàn)室中的電池循環(huán)壽命也會(huì)縮短到只有600次，真實(shí)工況下會(huì)進(jìn)一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達(dá)310KW，但實(shí)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(chǔ)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。

2.4

安全性比較

      除了上述指標(biāo)，安全性對(duì)于機(jī)動(dòng)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(dá)到500-600度時(shí)才開始分解，基本不需要太多的保護(hù)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(huì)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(gè)電池漏液，爆炸帶來的危險(xiǎn)，即使如此也還需要結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備（該重量增加也變相削弱了其能量密度的優(yōu)勢(shì)）。并且前期發(fā)生的幾次事故，雖然得益于Telsa的安全設(shè)計(jì)并沒有出現(xiàn)人員傷亡，但就事故本身而言，其實(shí)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(shì)。

      燃料電池由于原料氫氣易燃易爆，市場(chǎng)普遍擔(dān)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?xì)怏w，氫氣的安全性并不差，甚至還略好。現(xiàn)在車用儲(chǔ)氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測(cè)試中都可以做到毫發(fā)無損。即使車禍導(dǎo)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(huì)迅速向上升起，反而一定程度上保護(hù)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(huì)迅速著火報(bào)廢。氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)其實(shí)和LNG非常類似，只是所需壓力更大，隨著商業(yè)化推進(jìn)，其整體安全性也還是可控的。