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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汽車取得飛躍的法寶。雖然細究一下，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，已經說了很多年的燃料電池汽車近年來也隨著日韓車企相繼投產而成為關注的焦點。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？各自又會遇到怎樣的困難呢？

    “靈活的、優(yōu)越的能量密度固態(tài)電池”，美國電動汽車制造商菲斯克的這項專利，號稱將電動汽車的續(xù)航能力提高到804公里，充電時間則縮短到1分鐘。而這項專利所描述的事實上就是固態(tài)電池。

    我們不妨用初中物理知識來簡單計算一下。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。君不見，當特斯拉和豐田在相互嘲諷對方的技術路線時，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年左右的電池目標至關重要。

    目前的磷酸鐵鋰電池，單體能量密度大致在120-140Wh/kg，規(guī)模化的三元電池單體能量密度可以達到130-220Wh/kg，實驗室里的三元電池則可以達到300Wh/kg。

    但受制于現(xiàn)有體系架構和關鍵正極材料影響，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，新興電池技術研發(fā)及產業(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，電化學窗口有限，難以兼容金屬鋰負極和新研發(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，這樣的架構還會造成短路引燃、離子濃度差增大電池內阻、電極材料持續(xù)消耗等問題。

    而固態(tài)電池進入視野，正因為它具有高的離子電導率和機械強度、寬的電化學穩(wěn)定窗口和工作溫度區(qū)間，能夠實現(xiàn)高能量密度、高功率密度和高安全。

    固態(tài)電解質比有機電解液具有更寬的電化學窗口，有利于進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，能夠應用更多的負極材料。

    此外，在集成進電動汽車時，固態(tài)電池還具有結構緊湊、規(guī)模可調、設計彈性大等利于整車集成的特點。

    這樣看來，固態(tài)電池是不是就完美了呢？事實上遠非如此。目前具有潛力的固態(tài)電解質材料可以分為聚合物、硫化物和氧化物，然而不同的材質與不同的排列組合化學性能差異很大，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。

    同時化學性質不夠穩(wěn)定、制備工藝不完善等問題的真實存在也讓固態(tài)電池還有相當長的路要走。

    固態(tài)電池產業(yè)化的實現(xiàn)從根本上還是取決于材料工藝層面的突破，目前有關固態(tài)電池的專利遠超其它類型電池的綜合。高能量密度全固態(tài)電池的產業(yè)化應用，預計將耗時5-10年時間。部分先進企業(yè)會在2020年小批量生產固態(tài)電池，而真正大面積量產預計會在2025年左右。

    ▎燃料電池：如何實現(xiàn)可以盈利的商業(yè)模式是普及關鍵

    理論上來說，氫擁有比電和油高得多的能量密度，當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，有三個關鍵問題需要解決：燃料電池的壽命、燃料電池的成本、氫氣的成本。概括起來就是要有一套能夠使產業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)都能夠實現(xiàn)盈利的商業(yè)模式。

    當下，如果不依賴于政府補貼，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官方指導價達到130萬元，在扣除國家50萬補貼和地方50萬補貼之后還需要花費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)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。即使目前技術進步，但對鉑的用量仍然達到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、直流升壓元件等若干關鍵零部件，國內研發(fā)生產企業(yè)均較少，很大程度上都要依賴于進口，也是國產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)副產氫兩種，前者的成本可以達到后者的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%）,在小批量示范運行期間國內還是以電解氫為主。

    上海世博會期間，燃料電池汽車加氫的成本是70元/kg，按這個價格單位里程的燃料成本甚至高于傳統(tǒng)燃油車。

    如果可以使用副產氫等可再生能源化氫，每千克的氫氣價格將在20-30元左右，對于轎車而言，每千克氫氣可以運行超過一百公里，同級別燃油車型運行百公里則需要耗費約8升油，按照目前的油價約需要50-60元。

    此時，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。當然，工業(yè)副產氫的分離提純、配送機制都是需要深入研究并不斷完善的。

    此外，氫氣的存儲同樣是燃料電池汽車普及的關鍵因素。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，這不僅對儲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，大約占氫能的1/3，這會大大降低車載氫能源的整體利用效能。

    而在氫氣加注過程中，則必須要采取額外的降溫措施控制氣瓶的溫升，這個溫度一般要低至-40℃?？上攵?，這個加注的過程，需要耗費多少額外的能源實現(xiàn)溫控。

    不管哪種制氫方式、哪種存儲方式、哪種運輸方式，氫能源的生態(tài)系統(tǒng)都是需要重新建立的，涉及大量基礎設施的投入與建設。

    目前，國內投入運營的加氫站只有6個。根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃，到2020年中國要建成100座加氫站，然而這只是德國和日本目前的水平。而且加氫站的建設成本超過千萬，達到充電站的近10倍，且中間環(huán)節(jié)的繁雜讓加氫站的建設難度與周期要遠超過充電站。

    ▎固態(tài)電池還是燃料電池：電池材料體系和氫能生態(tài)誰能率先解決？

    誰能代表新能源汽車的未來？至少目前來看并沒有明確的答案。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，兩個限制各自發(fā)展的問題短時間內都無法得到很好的解決。這也是為什么兩方陣營里都有著強大的成員在堅持自己的技術路線。

    短期之內，純電動汽車肯定會早于燃料電池率先產業(yè)化和普及。從動力系統(tǒng)的完成度來看，純電動汽車已經可以實現(xiàn)商業(yè)化，而燃料電池汽車尚需時日。畢竟，當豐田Mirai初期投入生產時，每天3輛的產能根本難以稱得上是真正的量產，即使到2020今年豐田的規(guī)劃年產能也只有3萬輛。

    從基礎設施的建設來看，充電基礎設施在國內的建設，尤其是一二線城市的建設已經初具規(guī)模，絕大部分的電動汽車用戶已經不再為充不上電而擔憂。反觀加氫站的建設，技術與成本的限制仍然是巨大的挑戰(zhàn)。

    但不可否認，燃料電池汽車巨大的潛力還沒有得到開發(fā)，當下種種產業(yè)鏈上的問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)內普遍將燃料電池汽車視作汽車“共產主義”的原因。

    只是從目前來看，無論是技術成熟度、消費者認可度、推廣可行度還是政策的導向，造更高續(xù)駛里程的純電動汽車將會成為未來5-10年車企們共同的選擇。
來源：童濟仁汽車評論