固態(tài)電池和燃料電池，究竟誰才是未來新能源汽車的方向？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-08-20 21:43
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按照目前電動汽車較為優(yōu)秀的10kWh/100km能耗水平計算，804公里需要耗能80.4kWh，那么1分鐘充滿那么多電，充電功率將達(dá)到將近5000kW。
5000kW是什么概念？幾乎是一個中型發(fā)電站的功率。因此，菲斯克的這個專利僅僅是針對單節(jié)固態(tài)電池的實驗室數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實情況下，考慮到電池組的集成和電網(wǎng)的承受能力，所謂的“充電1分鐘，續(xù)航800公里”只能是一個宣傳的噱頭。
不過，固態(tài)電池確實是目前車用動力電池取得能量密度突破的重要方向。而另一個發(fā)展方向燃料電池汽車，近年來也在如火如荼地前進(jìn)。君不見，當(dāng)特斯拉和豐田在相互嘲諷對方的技術(shù)路線時，就意味著這里一定大有文章可講。
▎固態(tài)電池：能讓純電動汽車實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的突破口
每一次電池性能的顯著提升，本質(zhì)上都是電池材料體系的重大變革。因為每一類電池材料體系都有其能量密度的上限。
從第一代的鎳氫電池和錳酸鋰電池，第二代的磷酸鐵鋰電池，到目前廣為采用并預(yù)計持續(xù)到2020年左右的第三代三元電池，能量密度和成本分別呈現(xiàn)出階梯式上升和下降的明顯趨勢。因此，下一代動力電池選用何種電池體系，對于實現(xiàn)2025年左右的電池目標(biāo)至關(guān)重要。
目前的磷酸鐵鋰電池，單體能量密度大致在120-140Wh/kg，規(guī)?；娜姵貑误w能量密度可以達(dá)到130-220Wh/kg，實驗室里的三元電池則可以達(dá)到300Wh/kg。
但受制于現(xiàn)有體系架構(gòu)和關(guān)鍵正極材料影響，現(xiàn)有體系的鋰離子電池能量密度基本上很難突破300Wh/kg，很難滿足未來動力電池的需求。想要達(dá)到2025年單體電池能量密度400Wh/kg、2030年500Wh/kg的水平，新興電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫，那意味著電動汽車的續(xù)航里程相比現(xiàn)在將翻一番。
目前商用的鋰離子電池，主要問題在于使用液態(tài)/膠狀電解質(zhì)，電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負(fù)極和新研發(fā)的高電勢正極材料，從而使能量密度上升存在瓶頸。而在安全層面，這樣的架構(gòu)還會造成短路引燃、離子濃度差增大電池內(nèi)阻、電極材料持續(xù)消耗等問題。
而固態(tài)電池進(jìn)入視野，正因為它具有高的離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度、寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口和工作溫度區(qū)間，能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度、高功率密度和高安全。
固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進(jìn)一步拓寬電池的電壓范圍，并且因為不存在濃差極化而可以工作在大電流條件，從而提升電池能量密度。同時固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題、無需隔膜隔開正負(fù)極、阻止鋰枝晶的生長，從根本上避免了電池的短路現(xiàn)象，能夠應(yīng)用更多的負(fù)極材料。
此外，在集成進(jìn)電動汽車時，固態(tài)電池還具有結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)?？烧{(diào)、設(shè)計彈性大等利于整車集成的特點(diǎn)。
這樣看來，固態(tài)電池是不是就完美了呢？事實上遠(yuǎn)非如此。目前具有潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料可以分為聚合物、硫化物和氧化物，然而不同的材質(zhì)與不同的排列組合化學(xué)性能差異很大，有的充電速度快，有的能量密度高，各有所長又各有所短，很難做到一種材料解決所有的問題。
同時化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定、制備工藝不完善等問題的真實存在也讓固態(tài)電池還有相當(dāng)長的路要走。
固態(tài)電池VS燃料電池，誰能統(tǒng)治新能源汽車的下個十年？
固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)從根本上還是取決于材料工藝層面的突破，目前有關(guān)固態(tài)電池的專利遠(yuǎn)超其它類型電池的綜合。高能量密度全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計將耗時5-10年時間。部分先進(jìn)企業(yè)會在2020年小批量生產(chǎn)固態(tài)電池，而真正大面積量產(chǎn)預(yù)計會在2025年左右。
▎燃料電池：如何實現(xiàn)可以盈利的商業(yè)模式是普及關(guān)鍵
理論上來說，氫擁有比電和油高得多的能量密度，當(dāng)然這是指利用氫氣發(fā)電而非直接燃燒氫氣。而且一次加氫只需要幾分鐘，續(xù)駛里程達(dá)到500-700km，在使用過程中只排放水，沒有其它任何廢氣，是完全的零排放。
然而看起來無比美好的燃料電池汽車要真正大規(guī)模商業(yè)化普及，有三個關(guān)鍵問題需要解決：燃料電池的壽命、燃料電池的成本、
當(dāng)下，如果不依賴于政府補(bǔ)貼，燃料電池汽車仍然處于“天價”狀態(tài)。剛剛在廣州車展上市的大通FCV80官方指導(dǎo)價達(dá)到130萬元，在扣除國家50萬補(bǔ)貼和地方50萬補(bǔ)貼之后還需要花費(fèi)30萬去購買這輛輕客，對燃料電池汽車而言這顯然是不可持續(xù)的發(fā)
除了一般性的研發(fā)投入外，催化劑中貴金屬鉑的用量是重要的因素。即使目前技術(shù)進(jìn)步，但對鉑的用量仍然達(dá)到0.3-0.5g/kW的水平。于是一臺100kW的燃料電池系統(tǒng)就需要約30-50g的鉑，大家參考下市面上鉑金首飾的價格，就大概可以對這塊成本有概念了。
另一方面，燃料電池系統(tǒng)中如雙極板、空氣壓縮機(jī)、直流升壓元件等若干關(guān)鍵零部件，國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)均較少，很大程度上都要依賴于進(jìn)口，也是國產(chǎn)燃料電池汽車成本居高不下的原因。
這是車的成本，氫燃料的成本同樣是很大的問題。氫氣制取的方法主要有電解水制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫兩種，前者的成本可以達(dá)到后者的3倍以上。然而因為燃料電池對于氫氣純度有著極高的要求（99.9%）,在小批量示范運(yùn)行期間國內(nèi)還是以電解氫為主。
