動力電池發(fā)展的現(xiàn)狀

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。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。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。

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。

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。

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

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。

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)。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。

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。

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℃。可想而知，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。

總結：是固態(tài)電池還是燃料電池？

要看電池材料體系和氫能生態(tài)誰能率先解決，誰就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。

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，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。