燃料動力電池和固態電池，那個更適合新能源汽車

一條充電1分鐘，續航800公里的新聞，把我們的視線拉到了固態電池之上。仿佛固態電池一下子成了促使電動車取得飛躍的法寶。雖然細究一下，不難發現這條由菲斯克公司所披露的消息依然有很多值得商榷之處，但至少說明固態電池正在成為電池發展新的方向。

另一方面，已經說了很多年的燃料動力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。固態電池和燃料動力電池，到底誰才是將來新能源汽車的方向?各自又會遇到如何的困難呢?

靈活的、優越的能量密度固態電池，美國電動車制造商菲斯克的這項專利，號稱將電動車的續航能力提高到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。按照目前電動車較為優秀的10kWh/100km能耗水平計算，804公里要耗能80.4kWh，那么1分鐘洋溢那么多電，充電功率將達到將近5000kW。

5000kW有哪些概念?幾乎是一個中型發電站的功率。因此，菲斯克的這個專利僅僅是針對單節固態電池的試驗室數據。在實際情況下，考慮到電池包的集成和電網的承受能力，所謂的充電1分鐘，續航800公里只能是一個宣傳的噱頭。

不過，固態電池實在是目前車用動力鋰離子電池取得能量密度沖破的緊要方向。而另一個發展方向燃料動力電池汽車，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。

▎固態電池：能讓純電動車實現大規模商業化的沖破口

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繼續到2020年左右的第三代三元電池，能量密度和成本分別呈現出階梯式上升和下降的分明趨勢。因此，下一代動力鋰離子電池選用何種電池體系，關于實現2025年左右的電池目標至關緊要。

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

但受制于現有體系架構和關鍵正極材料影響，現有體系的鋰電池能量密度基本上很難沖破300Wh/kg，很難滿足將來動力鋰離子電池的需求。想要達到2025年單體電池能量密度400Wh/kg、2030年500Wh/kg的水平，新興電池技術研發及產業化迫在眉睫，那意味著電動車的續航里程相比今朝將翻一番。

目前商用的鋰電池，緊要問題在于使用液態/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、電極材料繼續消耗等問題。

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

固態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。同時固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題、無需隔膜隔開正負極、阻止鋰枝晶的生長，從根本上戒備了電池的短路現象，能夠使用更多的負極材料。

此外，在集成進電動車時，固態電池還具有結構緊湊、規模可調、設計彈性大等利于整車集成的特點。

這樣看來，固態電池是否就完美了呢?事實上遠非如此。目前具有潛力的固態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，很難做到一種材料處理所有的問題。

同時化學性質不夠穩定、制備工藝不完善等問題的真切存在也讓固態電池還有相當長的路要走。

固態電池產業化的實現從根本上還是取決于材料工藝層面的沖破，目前有關固態電池的專利遠超其它類型電池的綜合。高能量密度全固態電池的產業化使用，預計將耗時5-10年時間。部分先進公司會在2020年小批量加工固態電池，而真正大面積量產預計會在2025年左右。

▎燃料動力電池：要怎么樣實現可以盈利的商業模式是普及關鍵

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電而非筆直燃燒氫氣。而且一次加氫只要幾分鐘，續駛里程達到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。

然而看起來無比美妙的燃料動力電池汽車要真正大規模商業化普及，有三個關鍵問題要處理：燃料動力電池的壽命、燃料動力電池的成本、氫氣的成本。概括起來就是要有一套能夠使產業鏈上各個環節都能夠實現盈利的商業模式。

當下，倘若不依靠于政府補貼，燃料動力電池汽車依然處于天價狀態。剛剛在廣州車展上市的大通FCV80官方指揮價達到130萬元，在扣除國家50萬補貼和地方50萬補貼之后還要花費30萬去購買這輛輕客，對燃料動力電池汽車而言這顯然是不可繼續的發展。

除了一般性的研發投入外，催化劑中貴金屬鉑的用量是緊要的因素。即使目前技術進步，但對鉑的用量依然達到0.3-0.5g/kW的水平。于是一臺100kW的燃料動力電池系統就要約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，燃料動力電池系統中如雙極板、空氣壓縮機、直流升壓元件等若干關鍵零部件，國內研發加工公司均較少，很大程度上都要依靠于進口，也是國產燃料動力電池汽車成本居高不下的原由。

這是車的成本，氫燃料的成本同樣是很大的問題。氫氣制取的辦法緊要有電解水制氫和工業副產氫兩種，前者的成本可以達到后者的3倍以上。然而因為燃料動力電池關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，燃料動力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燃油車。

倘若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，關于轎車而言，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要耗費約8升油，按照目前的油價約要50-60元。

此時，燃料動力電池汽車的使用成本僅為傳統燃油汽車的一半左右。當然，工業副產氫的分離提純、配送機制都是要深入研究并不斷完善的。

此外，氫氣的存儲同樣是燃料動力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，約莫占氫能的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，則非得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，要耗費多少額外的能源實現溫控。

不管哪種制氫方式、哪種存儲方式、哪種運輸方式，氫能源的生態系統都是要重新建立的，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惟有6個。依據國家十三五規劃，到2020年我國要建成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，且中間環節的繁雜讓加氫站的建設難度與周期要遠超過充電站。

▎固態電池還是燃料動力電池：電池材料體系和氫能生態誰能率先處理?

誰能代表新能源汽車的將來?至少目前來看并沒有明確的答案。一邊是電池材料體系急切要提升，以換取更高的能量密度;另一邊是氫能源的生態系統急切要建立，以讓燃料動力電池汽車可以走上商業模式正軌。

顯然，兩個限制各自發展的問題短時間內都無法得到很好的處理。這也是為甚么兩方陣營里都有著強大的成員在堅持自己的技術路線。

短時間之內，純電動車肯定會早于燃料動力電池率先產業化和普及。從動力系統的完成度來看，純電動車已經可以實現商業化，而燃料動力電池汽車尚需時日。畢竟，當豐田Mirai初期投入加工時，每天3輛的產量根本難以稱得上是真正的量產，即使到2020今年豐田的規劃年產量也惟有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模，絕大部分的電動車用戶已經不再為充不上電而擔憂。反觀加氫站的建設，技術與成本的限制依然是巨大的挑戰。

但不可否認，燃料動力電池汽車巨大的潛力還沒有得到開發，當下種種產業鏈上的問題不能抹殺氫能生態系統的優越性，這也是為甚么業內普遍將燃料動力電池汽車視作汽車共產主義的原由。

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，造更高續駛里程的純電動車將會成為將來5-10年車企們共同的選擇。

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