氫燃料動(dòng)力電池和鋰離子電池分析

近幾十年雖然各國都在大力推廣電動(dòng)汽車，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過往的電動(dòng)汽車都違反了能量密度提升這個(gè)能源變革的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰離子電池車，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業(yè)自然遲遲無法出現(xiàn)10倍速的改進(jìn)。但燃料動(dòng)力電池的出現(xiàn)卻徹底改變了這一現(xiàn)狀。其以氫氣為原料，基礎(chǔ)能量密度是汽油的3倍，電動(dòng)機(jī)的做功效率還是內(nèi)燃機(jī)的2倍，實(shí)際密度是汽油的6倍，優(yōu)勢(shì)明顯。而且從人類過去百年的能源進(jìn)化史看，其本質(zhì)上就是碳?xì)浔鹊恼{(diào)整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉(zhuǎn)向氫能源是大勢(shì)所趨，因此采用氫能源的燃料動(dòng)力電池?zé)o疑更能代表歷史發(fā)展的方向，最有望成為下一代的基礎(chǔ)能源。

機(jī)動(dòng)車性能重要為續(xù)航能力、充電/充氫時(shí)間、輸出功率和安全性等。燃料動(dòng)力電池能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池，相應(yīng)電池容量，快充能力和續(xù)航里程就具備了天然的優(yōu)勢(shì)，即使是和鋰離子電池的優(yōu)秀豪車Tesla相比也是大幅領(lǐng)先。但其功率密度不高，最大輸出功率取決于輔助的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，相應(yīng)最高時(shí)速和百公里加速指標(biāo)和鋰離子電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車，對(duì)應(yīng)45度鋰離子電池車和輸出功率100KW燃料動(dòng)力電池車作為分析基準(zhǔn)。

能量密度比較

鋰離子電池作為蓄電池的一種，是個(gè)封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運(yùn)行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級(jí)正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰離子電池。但鋰已經(jīng)是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極，但能量密度其實(shí)也只有汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術(shù)難度極大，幾十年內(nèi)都無望突破。因此鋰離子電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使達(dá)到也只有燃料動(dòng)力電池的1/120，可謂輸在起跑線上。

體積能量密度比較

燃料動(dòng)力電池的原料氫氣重要缺點(diǎn)就是體積能量密度不高，現(xiàn)在基本上是采用加壓來解決這個(gè)問題。按照現(xiàn)行的700個(gè)大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，燃料動(dòng)力電池儲(chǔ)氫罐體積為100L，重量為30KG，對(duì)應(yīng)汽油車油箱為30L，但電動(dòng)機(jī)體積比內(nèi)燃機(jī)小80L，總體積相差不大。鋰離子電池車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術(shù)路線，代表公司為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，要輔助的安全保護(hù)設(shè)備，跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠(yuǎn)高于燃料動(dòng)力電池。展望未來假如儲(chǔ)氫合金和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)能夠突破，燃料動(dòng)力電池體積能量密度將分別新增1.5倍和2倍，優(yōu)勢(shì)會(huì)更為明顯。

功率密度比較

燃料動(dòng)力電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，為了最大提高放電功率必須附加動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個(gè)開放的動(dòng)力系統(tǒng)，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不要考慮儲(chǔ)能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對(duì)電池壽命的要求也不高，在真實(shí)工況下的使用限制很少。鋰離子電池雖然理論放電效率很高，但為了不傷害電池壽命，使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個(gè)區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實(shí)驗(yàn)室中的電池循環(huán)壽命也會(huì)縮短到只有600次，真實(shí)工況下會(huì)進(jìn)一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達(dá)310KW，但實(shí)際放電倍率也只有4C。而且鋰離子電池作為能量密度不高的封閉儲(chǔ)能體系，高功率放電和高續(xù)航里程基本很難兼容，除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。