固態(tài)鋰離子電池具有高安全、高能量密度特點，而氫燃料動力電池技術(shù)基本成熟，且滿足環(huán)保要求。在電動汽車補貼退坡，燃料動力電池車補貼不變情況下，固態(tài)鋰離子電池和氫燃料動力電池哪個技術(shù)路線代表新能源汽車未來？本文客觀分析這兩項技術(shù)優(yōu)劣勢，為預(yù)測新能源汽車發(fā)展技術(shù)路線供應(yīng)依據(jù)。

2018年國內(nèi)電動汽車市場滲透率大幅提高，市場對電動汽車的續(xù)航里程短、電池著火、電池壽命短等問題也不斷提出質(zhì)疑。這讓電車產(chǎn)業(yè)陷入了技術(shù)提升速度跟不上產(chǎn)業(yè)發(fā)展的尷尬境地。豐田的燃料動力電池汽車量產(chǎn)，使市場焦點聚焦到了燃料動力電池技術(shù)路線。另外，固態(tài)鋰離子電池具有高安全、高能量密度特點，也開始受到市場關(guān)注。究竟哪一個技術(shù)路線代表新能源汽車的未來？本文客觀分析這兩項技術(shù)優(yōu)劣勢，為預(yù)測未來新能源汽車發(fā)展技術(shù)路線供應(yīng)依據(jù)。

要說明的是，本文討論的燃料動力電池僅僅指氫燃料動力電池。討論范圍重要限于氫燃料動力電池及固態(tài)鋰離子電池重要基于以下原因：1、目前液態(tài)鋰離子電池已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于新能源汽車，固態(tài)鋰離子電池屬于液態(tài)鋰電體系升級版本，未來在新能源汽車領(lǐng)域有大規(guī)模應(yīng)用可能性；2、氫燃料動力電池已經(jīng)在新能源汽車領(lǐng)域有一定應(yīng)用，大多數(shù)新能源廠商也主推氫燃料動力電池。

接下來，本文從產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品特性和產(chǎn)業(yè)鏈三個角度展開討論：

一、產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)分析

鋰離子電池技術(shù)發(fā)展較早，1991年索尼第一個將鋰離子電池商品化，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，已經(jīng)發(fā)展成為目前大規(guī)模應(yīng)用于電子產(chǎn)品和電動汽車的液態(tài)鋰離子電池體系。固態(tài)鋰離子電池是在對傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子體系進(jìn)行大幅改進(jìn)之后的產(chǎn)品。如下為二者結(jié)構(gòu)差異。

圖1液態(tài)鋰離子電池、固態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)比較

固態(tài)鋰離子電池采用固體電解質(zhì)，不要隔離膜，且可應(yīng)用高電壓正極材料（液態(tài)鋰離子電池難以應(yīng)用），負(fù)極以金屬鋰替代石墨，其能量密度可以大幅提升。固態(tài)鋰離子電池沒有有機(jī)液體，其安全性能大幅提升?？傮w來看，固態(tài)鋰離子電池要基礎(chǔ)材料重大創(chuàng)新和工藝技術(shù)持續(xù)優(yōu)化，才能逐步達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)用水平，并逐步取代現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池。

圖2固態(tài)鋰離子電池能量密度

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氫燃料動力電池技術(shù)與鋰離子電池技術(shù)存在較大差異，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較鋰離子電池體系更高。以上討論的鋰離子電池體系基本模型結(jié)構(gòu)均為可逆電化學(xué)池結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)為封閉系統(tǒng)，不要大量額外控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。氫燃料動力電池核心是氫氧反應(yīng)電化學(xué)池，但其系統(tǒng)控制過程更為復(fù)雜。作為一個開放系統(tǒng)，氫燃料動力電池要控制氫氣、空氣、熱量等，因此其控制難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋰離子電池。如下圖為氫燃料動力電池系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)，其包括氫氣存儲系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、電堆反應(yīng)系統(tǒng)及一些輔助系統(tǒng)。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)可以借用現(xiàn)有技術(shù)持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化升級，技術(shù)難度相對較低。氫氣存儲系統(tǒng)、電堆系統(tǒng)則要基礎(chǔ)材料如耐壓材料、催化劑等重大創(chuàng)新和工藝技術(shù)持續(xù)優(yōu)化。

圖3氫燃料動力電池系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)

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從基礎(chǔ)技術(shù)層面來看，固態(tài)鋰離子電池、氫燃料動力電池均要在關(guān)鍵基礎(chǔ)材料方面進(jìn)行重大創(chuàng)新，而基礎(chǔ)材料的創(chuàng)新是難度極大，相關(guān)材料的開發(fā)時間周期很長。因此，固態(tài)鋰離子電池和氫燃料動力電池在基礎(chǔ)技術(shù)層面屬于同等級難度。

二、產(chǎn)品特性比較

產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)和特點決定了產(chǎn)品性能、應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)水平?jīng)Q定了其現(xiàn)有應(yīng)用情況。我們以目前液態(tài)鋰離子電池作為基本參考，與固態(tài)鋰離子電池、氫燃料動力電池進(jìn)行比較。目前液態(tài)鋰離子電池已經(jīng)較為成熟，重要缺點為續(xù)航和安全性。固態(tài)鋰離子電池技術(shù)尚不成熟，使用壽命不足，能量密度優(yōu)勢尚未體現(xiàn)。氫燃料動力電池應(yīng)用不及液態(tài)鋰離子電池廣泛，但目前標(biāo)桿公司產(chǎn)品性能已經(jīng)非常好，完全能夠滿足車用要求，其續(xù)航里程有了大幅提升，在安全性方面也有較好保障。

表1固態(tài)鋰離子電池和氫燃料動力電池特點

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在安全性方面，液態(tài)鋰離子電池具有本征不安全性，內(nèi)部缺陷及濫用均可能導(dǎo)致起火、爆炸，眾多手機(jī)爆炸、電動汽車起火等事件可以驗證。固態(tài)鋰離子電池在汽車應(yīng)用不多，沒有足夠的樣本加以驗證，但基礎(chǔ)試驗證實其安全性大大優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能反映其安全性優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池（重要基于兩點：1、固體電解質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易揮發(fā)、不易燃燒、不存在SEI等不穩(wěn)定成分；2、固體電解質(zhì)在電池內(nèi)部短路時會受熱膨脹，使短路點分開，同時高溫會使電解質(zhì)失效，切斷鋰離子通路）。

氫燃料動力電池本征不安全重要體現(xiàn)在高壓氫氣，高壓氫氣系統(tǒng)失效和濫用，均可能導(dǎo)致安全問題，目前高壓氫氣使用過程中已經(jīng)出現(xiàn)一些安全事故。筆者認(rèn)為氫燃料動力電池安全性優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池：高壓氫氣具有較高能量，它與電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)（電堆）是分開的，因此在反應(yīng)失效時，可以通過各種手段停止供應(yīng)氫氣，劇烈的化學(xué)反應(yīng)即被阻斷，防止爆炸危險。液態(tài)鋰離子電池能量載體和電化學(xué)反應(yīng)器是合二為一的，一旦電化學(xué)反應(yīng)器破壞，劇烈的化學(xué)反應(yīng)將難以阻止，大概率會發(fā)生爆炸、起火。單獨的高壓氫氣，要泄露及明火條件，才可能發(fā)生爆炸。高壓氫氣屬于?；贩懂牐ㄟ^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(chǔ)設(shè)施配套方面，存在較大差異。電網(wǎng)如同毛細(xì)血管相同覆蓋了全球經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)域，電網(wǎng)基本隨處可達(dá)，目前國內(nèi)已經(jīng)安裝了近20萬根公共充電樁，重要集中在大中城市。另外大多數(shù)電動汽車車主配有便攜式充電樁，其數(shù)量遠(yuǎn)超20萬。中小功率充電樁價格數(shù)千元，即使大功率充電樁價格也僅僅數(shù)萬元，因此其價格不能構(gòu)成構(gòu)成充電樁建設(shè)的障礙。加氫站建設(shè)，若采取氫氣管網(wǎng)輸送，管網(wǎng)建設(shè)將是一項浩大工程，若采取車輛運送，要投入大量專用車輛進(jìn)行運輸，且要特殊安全監(jiān)管。另外一座小型加氫站，設(shè)備投入成本至少數(shù)百萬元。若采取分布式電解制氫，一方面設(shè)備投入成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同規(guī)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）。總體來看，氫燃料動力電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電設(shè)施建設(shè)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是氫燃料動力電池汽車發(fā)展重要障礙之一。

在電池系統(tǒng)成本方面，氫燃料動力電池與固態(tài)鋰離子電池存在較大差異。為了便于比較、簡化分析，以固態(tài)鋰離子電池和氫燃料動力電池目前市場應(yīng)用情況進(jìn)行比較。固態(tài)鋰離子電池并非新興技術(shù)，早在2000年代，多家公司已經(jīng)研發(fā)出微型固態(tài)鋰離子電池。由于其結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，其在有源芯片，微型醫(yī)療設(shè)備、消費電子領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。如Cymbet成立如2000年，其重要產(chǎn)品為固態(tài)鋰離子電池廣泛應(yīng)用于微型芯片、醫(yī)用設(shè)備、消費電子等領(lǐng)域。獲得軟銀資本投資的臺灣輝能科技重要產(chǎn)品仍然面向特殊類型消費類電子產(chǎn)品（目前正在嘗試向電動汽車等大型設(shè)備領(lǐng)域擴(kuò)張）。最近幾年多家廠商開始加速布局車用固態(tài)鋰離子電池，而早期的應(yīng)用集中在小型甚至微型設(shè)備領(lǐng)域，固態(tài)鋰離子電池因結(jié)構(gòu)簡單，在小型設(shè)備領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢。

圖5氫燃料動力電池與固態(tài)鋰離子電池成本變化示意圖

資料來源：玖牛研究院

注：該續(xù)航假設(shè)二者可以達(dá)到正常行駛的功率

反觀氫燃料動力電池，其早期的應(yīng)用可以追溯到阿波羅飛船供電系統(tǒng)，2000年代之后其應(yīng)用開始在家用發(fā)電、新能源汽車領(lǐng)域滲透。由于氫燃料動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成體積和功率較大的設(shè)備較為容易，其在大型設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域更具有天然優(yōu)勢，而微型化、小功率似乎并不是氫燃料動力電池所擅長的領(lǐng)域。如上圖，固態(tài)鋰離子電池與氫燃料動力電池在成本上的差異,決定了其產(chǎn)品應(yīng)用場景存在一定差異，固態(tài)鋰離子電池在短續(xù)航車輛、輕型車領(lǐng)域更具有優(yōu)勢，而氫燃料動力電池在大型車、長續(xù)航車輛領(lǐng)域更具優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見的是，在二者成本低于某一零界點的時，固態(tài)鋰電成本會更低，高于這一零界點時，燃料動力電池成本更低。筆者認(rèn)為，假如氫燃料動力電池和固態(tài)鋰離子電池都能大規(guī)模應(yīng)用于新能源汽車，二者應(yīng)用領(lǐng)域仍存在一定差異化。

從能源效率角度分析，固態(tài)鋰離子電池具有更高效率。以目前最為關(guān)注的能源使用途徑為例，比較使用氫燃料動力電池和固態(tài)鋰離子電池哪一種具有更高能源利用效率。煤制氫是目前所業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的制氫方法，其熱轉(zhuǎn)換效率為75%，而氫燃料動力電池發(fā)電效率理論雖然高達(dá)90%，但由于電化學(xué)反應(yīng)存在極化，內(nèi)部電阻等影響，豐田Mirai的燃料動力電池效率也僅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(yù)計能量總效率31%左右。

通過固態(tài)鋰離子電池，煤炭到車輪等效率可達(dá)35%，具體分析如下。100MW以上的發(fā)電效率基本超過40%，而采用高溫超臨界技術(shù)發(fā)電效率接近50%。鋰離子電池儲電效率約為95%。因此采用固態(tài)鋰電儲電總效率38%，另外電網(wǎng)輸配電損失7%左右，扣除損失后，總熱效率可達(dá)35%。雖然此處分析較為簡略，但已經(jīng)考慮了重要影響方面，這能為我們初步判斷供應(yīng)基本參考。

圖6化石能源轉(zhuǎn)化使用效率示意圖

資料來源：公開資料整理

另外有氫能行業(yè)人士認(rèn)為富余光伏、風(fēng)電電解制氫是非常有優(yōu)勢的，能夠大規(guī)模存儲氫氣。但從能量損耗角度來看，采用儲能電池技術(shù)的能源效率大大高于電解制氫的效率。筆者認(rèn)為氫燃料動力電池發(fā)電能源效率低于儲能電池技術(shù)能源效率。

三、產(chǎn)業(yè)鏈分析

產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)化分工可作為產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟度重要判斷依據(jù)，我們借此來分析兩種技術(shù)路線發(fā)展階段差異。氫燃料動力電池上游零部件行業(yè)已經(jīng)基本形成了專業(yè)化發(fā)展格局，離子交換膜、催化劑、雙極板、擴(kuò)散層、壓縮機(jī)、儲氫罐、電堆集成等均有專業(yè)化制造商，其產(chǎn)品均能實現(xiàn)批量生產(chǎn)和供應(yīng)。

固態(tài)鋰離子電池核心有正極、負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)、電池制造細(xì)分市場，正極、負(fù)極等均有專業(yè)化生產(chǎn)廠商（沿用液態(tài)鋰離子電池等相關(guān)產(chǎn)業(yè)），而核心材料固態(tài)電解質(zhì)目前沒有專業(yè)化制造廠商，固態(tài)電解質(zhì)以固態(tài)鋰離子電池制造商主導(dǎo)。電解質(zhì)的研發(fā)和制造以電池制造商主導(dǎo)重要有兩方面原因：1、基礎(chǔ)材料性能優(yōu)化要與下游工藝密切結(jié)合，電池制造商主導(dǎo)效率更高；2、產(chǎn)業(yè)鏈處于處于起步階段，專業(yè)化電解質(zhì)制造公司尚未培育形成?；谝陨戏治?，筆者認(rèn)為氫燃料動力電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度均高于固態(tài)鋰離子電池（但并不能判斷10-20年之后氫燃料動力電池仍然處于領(lǐng)先地位）。

表2氫燃料動力電池及固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈（車用領(lǐng)域）概況

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正如上面所提到的，固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前重要受到關(guān)鍵基礎(chǔ)材料及相關(guān)技術(shù)突破，目前來看，雖然固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)已經(jīng)有了一定進(jìn)步，但實現(xiàn)真正大規(guī)模應(yīng)用突破還需時日。Bollore已經(jīng)實現(xiàn)了小批量在汽車上應(yīng)用，但由于成本過高、電池能量密度偏低，成本和續(xù)航仍難以和液態(tài)鋰離子電池競爭，技術(shù)和工藝要進(jìn)一步提高，才有可能大規(guī)模應(yīng)用。豐田、本田、三星、LG等，正在加大相關(guān)固態(tài)鋰離子電池技術(shù)投入，以期待未來能夠大規(guī)模車用。豐田投入數(shù)千億日元，聯(lián)合多家相關(guān)公司合作研發(fā)，以期在2022年實現(xiàn)量產(chǎn)。

相比較而言，氫燃料動力電池在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用的技術(shù)障礙更少，豐田、本田、現(xiàn)代已經(jīng)實現(xiàn)小批量應(yīng)用，且在不斷迭代升級，技術(shù)進(jìn)步可期。巴拉德、plugpower及眾多我國公司已經(jīng)在叉車、商用車領(lǐng)域開始小規(guī)模應(yīng)用，2017-2018年我國公司對氫燃料動力電池更是情有獨鐘，投資領(lǐng)域進(jìn)入新的熱潮。

圖7氫燃料動力電池與固態(tài)鋰離子電池發(fā)展趨勢

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綜上分析，筆者認(rèn)為：1、從現(xiàn)階段技術(shù)技術(shù)成熟度來看，氫燃料動力電池技術(shù)更為成熟，在資本熱捧下，進(jìn)入了快速發(fā)展階段。而固態(tài)鋰離子電池技術(shù)瓶頸目前還沒有得到較好的解決，該領(lǐng)域的投資有一定有升溫，但未來一段時間發(fā)展速度仍然不及氫燃料動力電池。2、從二者技術(shù)特性來看，固態(tài)鋰離子電池在能源效率、安全性、基礎(chǔ)配套等方面更勝一籌，而氫燃料動力電池在續(xù)航、技術(shù)成熟度方面更勝一籌。3、從長期來看，二者在新能源汽車領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用潛力，多元化技術(shù)路線，能為新能源汽車不同應(yīng)用場景供應(yīng)多樣化的方法。