鉅大LARGE | 點擊量：1413次 | 2018年12月25日
氫燃料電池和固態鋰電池，誰將主宰新能源汽車？
固態鋰電池具有高安全、高能量密度特征，而氫燃料電池技術基本成熟，且滿足環保要求。在電動車補貼退坡，燃料電池車補貼不變情況下，固態鋰電池和氫燃料電池哪個技術路線代表新能源汽車未來？本文客觀分析這兩項技術優劣勢，為預測新能源汽車發展技術路線提供依據。
2018年國內電動車市場滲透率大幅提高，市場對電動汽車的續航里程短、電池著火、電池壽命短等問題也不斷提出質疑。這讓電車產業陷入了技術提升速度跟不上產業發展的尷尬境地。豐田的燃料電池汽車量產，使市場焦點聚焦到了燃料電池技術路線。另外，固態鋰電池具有高安全、高能量密度特征，也開始受到市場關注。究竟哪一個技術路線代表新能源汽車的未來？本文客觀分析這兩項技術優劣勢，為預測未來新能源汽車發展技術路線提供依據。
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鋰電池主要基于以下原因：1、目前液態鋰離子電池已經大規模應用于新能源汽車，固態鋰電池屬于液態鋰電體系升級版本，未來在新能源汽車領域有大規模應用可能性；2、氫燃料電池已經在新能源汽車領域有一定應用，大多數新能源廠商也主推氫燃料電池。
接下來，本文從產品基本結構、產品特性和產業鏈三個角度展開討論：
一、產品基本結構分析
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰電池技術發展較早，1991年索尼第一個將鋰電池商品化，隨著技術不斷進步，已經發展成為目前大規模應用于電子產品和電動車的液態鋰離子電池體系。固態鋰電池是在對傳統液態鋰離子體系進行大幅改進之后的產品。如下為二者結構差異。
固態鋰電池采用固體電解質，不需要隔離膜，且可應用高電壓正極材料（液態鋰離子電池難以應用），負極以金屬鋰替代石墨，其能量密度可以大幅提升。固態鋰電池沒有有機液體，其安全性能大幅提升?？傮w來看，固態鋰電池需要基礎材料重大創新和工藝技術持續優化，才能逐步達到穩定應用水平，并逐步取代現有液態鋰離子電池。
氫燃料電池技術與鋰電池技術存在較大差異，其系統結構復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構均為可逆電化學池結構，其系統為封閉系統，不需要大量額外控制系統、輔助系統。氫燃料電池核心是氫氧反應電化學池，但其系統控制過程更為復雜。作為一個開放系統，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簡要結構，其包括氫氣存儲系統、氫氣供應系統、熱管理系統、空氣供應系統、電堆反應系統及一些輔助系統。氫氣供應系統、熱管理系統、空氣供應系統可以借用現有技術持續改進和優化升級，技術難度相對較低。氫氣存儲系統、電堆系統則需要基礎材料如耐壓材料、催化劑等重大創新和工藝技術持續優化。
從基礎技術層面來看，固態鋰電池、氫燃料電池均需要在關鍵基礎材料方面進行重大創新，而基礎材料的創新是難度極大，相關材料的開發時間周期很長。因此，固態鋰電池和氫燃料電池在基礎技術層面屬于同等級難度。
二、產品特性比較
產品的基本結構和特征決定了產品性能、應用領域，技術水平決定了其現有應用情況。我們以目前液態鋰離子電池作為基本參考，與固態鋰電池、氫燃料電池進行對比。目前液態鋰離子電池已經較為成熟，主要缺點為續航和安全性。固態鋰電池技術尚不成熟，使用壽命不足，能量密度優勢尚未體現。氫燃料電池應用不及液態鋰離子電池廣泛，但目前標桿企業產品性能已經非常好，完全能夠滿足車用要求，其續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，液態鋰電池具有本征不安全性，內部缺陷及濫用均可能導致起火、爆炸，眾多手機爆炸、電動車起火等事件可以驗證。固態鋰電池在汽車應用不多，沒有足夠的樣本加以驗證，但基礎試驗證實其安全性大大優于液態鋰電池，其基礎結構能反映其安全性優于液態鋰離子電池（主要基于兩點：1、固體電解質化學性質穩定、不易揮發、不易燃燒、不存在SEI等不穩定成分；2、固體電解質在電池內部短路時會受熱膨脹，使短路點分開，同時高溫會使電解質失效，切斷鋰離子通路）。
氫燃料電池本征不安全主要體現在高壓氫氣，高壓氫氣系統失效和濫用，均可能導致安全問題，目前高壓氫氣使用過程中已經出現一些安全事故。筆者認為氫燃料電池安全性優于液態鋰離子電池：高壓氫氣具有較高能量，它與電化學反應系統（電堆）是分開的，因此在反應失效時，可以通過各種手段停止供應氫氣，劇烈的化學反應即被阻斷，避免爆炸危險。液態鋰離子電池能量載體和電化學反應器是合二為一的，一旦電化學反應器破壞，劇烈的化學反應將難以阻止，大概率會發生爆炸、起火。單獨的高壓氫氣，需要泄露及明火條件，才可能發生爆炸。高壓氫氣屬于?；贩懂?，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。
另外在基礎設施配套方面，存在較大差異。電網如同毛細血管一樣覆蓋了全球經濟活躍區域，電網基本隨處可達，目前國內已經安裝了近20萬根公共充電樁，主要集中在大中城市。另外大多數電動車車主配有便攜式充電樁，其數量遠超20萬。中小功率充電樁價格數千元，即使大功率充電樁價格也僅僅數萬元，因此其價格不能構成構成充電樁建設的障礙。加氫站建設，若采取氫氣管網輸送，管網建設將是一項浩大工程，若采取車輛運送，需要投入大量專用車輛進行運輸，且需要特殊安全監管。另外一座小型加氫站，設備投入成本至少數百萬元。若采取分布式電解制氫，一方面設備投入成本將遠遠超過同規模充電站成本，且氫氣使用成本將大幅高于直接充電（后面將加以說明）?？傮w來看，氫燃料電池基礎設施建設難度遠遠大于充電設施建設，基礎設施建設也是氫燃料電池汽車發展主要障礙之一。
在電池系統成本方面，氫燃料電池與固態鋰電池存在較大差異。為了便于比較、簡化分析，以固態鋰電池和氫燃料電池目前市場應用情況進行比較。固態鋰電池并非新興技術，早在2000年代，多家企業已經研發出微型固態鋰電池。由于其結構簡單，安全可靠，其在有源芯片，微型醫療設備、消費電子領域有廣泛應用。如Cymbet成立如2000年，其主要產品為固態鋰電池廣泛應用于微型芯片、醫用設備、消費電子等領域。獲得軟銀資本投資的臺灣輝能科技主要產品仍然面向特殊類型消費類電子產品（目前正在嘗試向電動汽車等大型設備領域擴張）。最近幾年多家廠商開始加速布局車用固態鋰電池，而早期的應用集中在小型甚至微型設備領域，固態鋰電池因結構簡單，在小型設備領域具有天然優勢。
反觀氫燃料電池，其早期的應用可以追溯到阿波羅飛船供電系統，2000年代之后其應用開始在家用發電、新能源汽車領域滲透。由于氫燃料電池系統結構復雜，制造成體積和功率較大的設備較為容易，其在大型設備應用領域更具有天然優勢，而微型化、小功率似乎并不是氫燃料電池所擅長的領域。如上圖，固態鋰電池與氫燃料電池在成本上的差異，決定了其產品應用場景存在一定差異，固態鋰電池在短續航車輛、輕型車領域更具有優勢，而氫燃料電池在大型車、長續航車輛領域更具優勢?？梢灶A見的是，在二者成本低于某一零界點的時，固態鋰電成本會更低，高于這一零界點時，燃料電池成本更低。筆者認為，如果氫燃料電池和固態鋰電池都能大規模應用于新能源汽車，二者應用領域仍存在一定差異化。
從能源效率角度分析，固態鋰電池具有更高效率。以目前最為關注的能源使用途徑為例，比較使用氫燃料電池和固態鋰電池哪一種具有更高能源利用效率。煤制氫是目前所業內比較認可的制氫方案，其熱轉換效率為75%，而氫燃料電池發電效率理論雖然高達90%，但由于電化學反應存在極化，內部電阻等影響，豐田Mirai的燃料電池效率也僅55%，因此從煤炭到車輪的效率僅41%。在在計算時忽略了氫氣壓縮消耗能量約20%，儲運等過程的能量消耗至少也要占5%，考慮這些過程，預計能量總效率31%左右。
通過固態鋰電池，煤炭到車輪等效率可達35%，具體分析如下。100MW以上的發電效率基本超過40%，而采用高溫超臨界技術發電效率接近50%。鋰離子電池儲電效率約為95%。因此采用固態鋰電儲電總效率38%，另外電網輸配電損失7%左右，扣除損失后，總熱效率可達35%。雖然此處分析較為簡略，但已經考慮了主要影響方面，這能為我們初步判斷提供基本參考。
另外有氫能行業人士認為富余光伏、風電電解制氫是非常有優勢的，能夠大規模存儲氫氣。但從能量損耗角度來看，采用儲能電池技術的能源效率大大高于電解制氫的效率。筆者認為氫燃料電池發電能源效率低于儲能電池技術能源效率。
三、產業鏈分析
產業鏈專業化分工可作為產業技術成熟度重要判斷依據，我們借此來分析兩種技術路線發展階段差異。氫燃料電池上游零部件行業已經基本形成了專業化發展格局，離子交換膜、催化劑、雙極板、擴散層、壓縮機、儲氫罐、電堆集成等均有專業化制造商，其產品均能實現批量生產和供應。
固態鋰電池核心有正極、負極、固態電解質、電池制造細分市場，正極、負極等均有專業化生產廠商（沿用液態鋰離子電池等相關產業），而核心材料固態電解質目前沒有專業化制造廠商，固態電解質以固態鋰電池制造商主導。電解質的研發和制造以電池制造商主導主要有兩方面原因：1、基礎材料性能優化需要與下游工藝密切結合，電池制造商主導效率更高；2、產業鏈處于處于起步階段，專業化電解質制造公司尚未培育形成。基于以上分析，筆者認為氫燃料電池技術和產業成熟度均高于固態鋰電池（但并不能判斷10-20年之后氫燃料電池仍然處于領先地位）。
正如上面所提到的，固態鋰電池產業發展目前主要受到關鍵基礎材料及相關技術突破，目前來看，雖然固態電解質技術已經有了一定進步，但實現真正大規模應用突破還需時日。Bollore已經實現了小批量在汽車上應用，但由于成本過高、電池能量密度偏低，成本和續航仍難以和液態鋰電池競爭，技術和工藝需要進一步提高，才有可能大規模應用。豐田、本田、三星、LG等，正在加大相關固態鋰電池技術投入，以期待未來能夠大規模車用。豐田投入數千億日元，聯合多家相關企業合作研發，以期在2022年實現量產。
相比較而言，氫燃料電池在汽車領域的應用的技術障礙更少，豐田、本田、現代已經實現小批量應用，且在不斷迭代升級，技術進步可期。巴拉德、plugpower及眾多中國企業已經在叉車、商用車領域開始小規模應用，2017-2018年中國企業對氫燃料電池更是情有獨鐘，投資領域進入新的熱潮。
綜上分析，筆者認為：1、從現階段技術技術成熟度來看，氫燃料電池技術更為成熟，在資本熱捧下，進入了快速發展階段。而固態鋰電池技術瓶頸目前還沒有得到較好的解決，該領域的投資有一定有升溫，但未來一段時間發展速度仍然不及氫燃料電池。2、從二者技術特性來看，固態鋰電池在能源效率、安全性、基礎配套等方面更勝一籌，而氫燃料電池在續航、技術成熟度方面更勝一籌。3、從長期來看，二者在新能源汽車領域均有廣泛的應用潛力，多元化技術路線，能為新能源汽車不同應用場景提供多樣化的方案。
