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【中國(guó)環(huán)保在線 清潔能源】固態(tài)電池，能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度、高功率密度和高安全性能，并且固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，集成進(jìn)電動(dòng)汽車還具有結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)模可調(diào)等特點(diǎn)。燃料電池，加氫速度快，能量密度高，完全零排放，發(fā)展空間大。那么，誰(shuí)會(huì)成為新能源汽車的未來(lái)？
固態(tài)電池還是燃料電池？誰(shuí)是新能源車的未來(lái)？
一條“充電1分鐘，續(xù)航800公里”的新聞，把我們的視線拉到了固態(tài)電池之上。似乎固態(tài)電池一下子成了促使電動(dòng)汽車取得飛躍的法寶。雖然細(xì)究一下，不難發(fā)現(xiàn)這條由菲斯克公司所披露的消息仍然有很多值得商榷之處，但至少說(shuō)明固態(tài)電池正在成為電池發(fā)展新的方向。
另一方面，已經(jīng)說(shuō)了很多年的燃料電池汽車近年來(lái)也隨著日韓車企相繼投產(chǎn)而成為關(guān)注的焦點(diǎn)。固態(tài)電池和燃料電池，究竟誰(shuí)才是未來(lái)新能源汽車的方向？各自又會(huì)遇到怎樣的困難呢？
“靈活的、優(yōu)越的能量密度固態(tài)電池”，美國(guó)電動(dòng)汽車制造商菲斯克的這項(xiàng)，號(hào)稱將電動(dòng)汽車的續(xù)航能力提高到804公里，充電時(shí)間則縮短到1分鐘。而這項(xiàng)所描述的事實(shí)上就是固態(tài)電池。
我們不妨用初中物理知識(shí)來(lái)簡(jiǎn)單計(jì)算一下。按照目前電動(dòng)汽車較為的10kWh/100km能耗水平計(jì)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(gè)中型發(fā)電站的功率。因此，菲斯克的這個(gè)僅僅是針對(duì)單節(jié)固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實(shí)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(gè)宣傳的噱頭。
不過(guò)，固態(tài)電池確實(shí)是目前車用動(dòng)力電池取得能量密度突破的重要方向。而另一個(gè)發(fā)展方向燃料電池汽車，近年來(lái)也在如火如荼地前進(jìn)。君不見(jiàn)，當(dāng)特斯拉和豐田在相互嘲諷對(duì)方的技術(shù)路線時(shí)，就意味著這里一定大有文章可講。
▎固態(tài)電池：能讓純電動(dòng)汽車實(shí)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?yàn)槊恳活愲姵夭牧象w系都有其能量密度的上限。
從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(jì)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(shì)。因此，下一代動(dòng)力電池選用何種電池體系，對(duì)于實(shí)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(shí)驗(yàn)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(lái)動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(shì)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(huì)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(wèn)題。
而固態(tài)電池進(jìn)入視野，正因?yàn)樗哂懈叩碾x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?yàn)椴淮嬖跐獠顦O化而可以工作在大電流條件，從而提升電池能量密度。同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}、無(wú)需隔膜隔開(kāi)正負(fù)極、阻止鋰枝晶的生長(zhǎng)，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(dòng)汽車時(shí)，固態(tài)電池還具有結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)?？烧{(diào)、設(shè)計(jì)彈性大等利于整車集成的特點(diǎn)。
這樣看來(lái)，固態(tài)電池是不是就了呢？事實(shí)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(zhǎng)又各有所短，很難做到一種材料解決所有的問(wèn)題。
同時(shí)化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定、制備工藝不完善等問(wèn)題的真實(shí)存在也讓固態(tài)電池還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。
固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的實(shí)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(jì)將耗時(shí)5-10年時(shí)間。部分先進(jìn)企業(yè)會(huì)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(jì)會(huì)在2025年左右。
▎燃料電池：如何實(shí)現(xiàn)可以盈利的商業(yè)模式是普及關(guān)鍵
理論上來(lái)說(shuō)，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(guò)程中只排放水，沒(méi)有其它任何廢氣，是完全的零排放。
然而看起來(lái)無(wú)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：燃料電池的壽命、燃料電池的成本、氫氣的成本。概括起來(lái)就是要有一套能夠使產(chǎn)業(yè)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠?qū)崿F(xiàn)盈利的商業(yè)模式。
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(jià)”狀態(tài)。剛剛在廣州車展上市的大通FCV80官方指導(dǎo)價(jià)達(dá)到130萬(wàn)元，在扣除國(guó)家50萬(wàn)補(bǔ)貼和地方50萬(wàn)補(bǔ)貼之后還需要花費(fèi)30萬(wàn)去購(gòu)買這輛輕客，對(duì)燃料電池汽車而言這顯然是不可持續(xù)的發(fā)展。
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(duì)鉑的用量仍然達(dá)到0.3-0.5g/kW的水平。于是一臺(tái)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(jià)格，就大概可以對(duì)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(guó)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(guó)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(wèn)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?yàn)槿剂想姵貙?duì)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(guó)內(nèi)還是以電解氫為主。
上海世博會(huì)期間，燃料電池汽車加氫的成本是70元/kg，按這個(gè)價(jià)格單位里程的燃料成本甚至高于傳統(tǒng)燃油車。
如果可以使用副產(chǎn)氫等可再生能源化氫，每千克的氫氣價(jià)格將在20-30元左右，對(duì)于轎車而言，每千克氫氣可以運(yùn)行超過(guò)一百公里，同級(jí)別燃油車型運(yùn)行百公里則需要耗費(fèi)約8升油，按照目前的油價(jià)約需要50-60元。
此時(shí)，燃料電池汽車的使用成本僅為傳統(tǒng)燃油汽車的一半左右。當(dāng)然，工業(yè)副產(chǎn)氫的分離提純、配送機(jī)制都是需要深入研究并不斷完善的。
此外，氫氣的存儲(chǔ)同樣是燃料電池汽車普及的關(guān)鍵因素。為了獲得更高的能量密度，氫氣往往要冷卻至-253℃以下變成液態(tài)存儲(chǔ)，這不僅對(duì)儲(chǔ)氫容器的隔熱性能要求很高，而且液化氫氣也要消耗較多的能量，大約占?xì)淠艿?/3，這會(huì)大大降低車載氫能源的整體利用效能。
而在氫氣加注過(guò)程中，則必須要采取額外的降溫措施控制氣瓶的溫升，這個(gè)溫度一般要低至-40℃?？上攵?，這個(gè)加注的過(guò)程，需要耗費(fèi)多少額外的能源實(shí)現(xiàn)溫控。
不管哪種制氫方式、哪種存儲(chǔ)方式、哪種運(yùn)輸方式，氫能源的生態(tài)系統(tǒng)都是需要重新建立的，涉及大量基礎(chǔ)設(shè)施的投入與建設(shè)。
目前，國(guó)內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的加氫站只有6個(gè)。根據(jù)國(guó)家“十三五”規(guī)劃，到2020年中國(guó)要建成100座加氫站，然而這只是德國(guó)和日本目前的水平。而且加氫站的建設(shè)成本超過(guò)千萬(wàn)，達(dá)到充電站的近10倍，且中間環(huán)節(jié)的繁雜讓加氫站的建設(shè)難度與周期要遠(yuǎn)超過(guò)充電站。
▎固態(tài)電池還是燃料電池：電池材料體系和氫能生態(tài)誰(shuí)能解決？
誰(shuí)能代表新能源汽車的未來(lái)？至少目前來(lái)看并沒(méi)有明確的答案。一邊是電池材料體系迫切需要提升，以換取更高的能量密度；另一邊是氫能源的生態(tài)系統(tǒng)迫切需要建立，以讓燃料電池汽車可以走上商業(yè)模式正軌。
顯然，兩個(gè)限制各自發(fā)展的問(wèn)題短時(shí)間內(nèi)都無(wú)法得到很好的解決。這也是為什么兩方陣營(yíng)里都有著強(qiáng)大的成員在堅(jiān)持自己的技術(shù)路線。
短期之內(nèi)，純電動(dòng)汽車肯定會(huì)早于燃料電池產(chǎn)業(yè)化和普及。從動(dòng)力系統(tǒng)的完成度來(lái)看，純電動(dòng)汽車已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而燃料電池汽車尚需時(shí)日。畢竟，當(dāng)豐田Mirai初期投入生產(chǎn)時(shí)，每天3輛的產(chǎn)能根本難以稱得上是真正的量產(chǎn)，即使到2020今年豐田的規(guī)劃年產(chǎn)能也只有3萬(wàn)輛。
從基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)來(lái)看，充電基礎(chǔ)設(shè)施在國(guó)內(nèi)的建設(shè)，尤其是一二線城市的建設(shè)已經(jīng)初具規(guī)模，絕大部分的電動(dòng)汽車用戶已經(jīng)不再為充不上電而擔(dān)憂。反觀加氫站的建設(shè)，技術(shù)與成本的限制仍然是巨大的挑戰(zhàn)。
但不可否認(rèn)，燃料電池汽車巨大的潛力還沒(méi)有得到開(kāi)發(fā)，當(dāng)下種種產(chǎn)業(yè)鏈上的問(wèn)題不能抹殺氫能生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)越性，這也是為什么業(yè)內(nèi)普遍將燃料電池汽車視作汽車“共產(chǎn)主義”的原因。
只是從目前來(lái)看，無(wú)論是技術(shù)成熟度、消費(fèi)者認(rèn)可度、推廣可行度還是政策的導(dǎo)向，造更高續(xù)駛里程的純電動(dòng)汽車將會(huì)成為未來(lái)5-10年車企們共同的選擇。
原標(biāo)題：充電1分鐘，續(xù)航800公里，電動(dòng)汽車的瓶頸終于突破了？
