我國(guó)油氣資源匱乏，大幅度以來(lái)國(guó)外進(jìn)口。為了保證國(guó)家能源安全，采取多元化能源發(fā)展路線。早期嘗試了甲醇等生物質(zhì)燃料，后又發(fā)展天然氣、液化石油氣燃料。隨后又探索了超級(jí)電容、鋰電池、燃料電池等技術(shù)，鋰電池已經(jīng)成功應(yīng)用到交通領(lǐng)域，成為近年來(lái)新能源發(fā)展主力軍。

鋰電池能量密度，續(xù)航里程偏低，加之安全性存疑，一直備受業(yè)內(nèi)外爭(zhēng)議。而氫燃料電池技術(shù)突破，超高能量密度，成為業(yè)內(nèi)外關(guān)注焦點(diǎn)。本文將從全新一代鋰離子電池技術(shù)——固態(tài)電池，與氫燃料電池技術(shù)發(fā)展，分析二者優(yōu)劣勢(shì)，預(yù)判未來(lái)應(yīng)用前景，供讀者參考。

首先從全新一代鋰電池技術(shù)——固態(tài)電池開(kāi)始，分析目前固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，及其技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)。

1、固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化只差臨門(mén)一腳，但續(xù)航改善有限

近一年多，臺(tái)灣輝能開(kāi)始與各大主機(jī)廠進(jìn)行合作，測(cè)試電池包，這在氧化物固態(tài)電池領(lǐng)域具有標(biāo)志意義。在10月22日東京車(chē)展上，豐田汽車(chē)CTO寺師茂樹(shù)也表示，2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)示范運(yùn)營(yíng)固態(tài)電池汽車(chē)，2025年左右可以大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池汽車(chē)。以這些信息來(lái)看，輝能似乎在半固態(tài)電池產(chǎn)品和豐田硫化物全固態(tài)電池離量產(chǎn)越來(lái)越近。

2、輝能半固態(tài)鋰電池初步具備小批量生產(chǎn)能力

近日，輝能CEO在某論壇上透漏了最新電池技術(shù)進(jìn)展。通過(guò)論壇信息，我們可以看到目前輝能所謂固態(tài)電池并非全固態(tài)電池，而是采用添加少量有機(jī)電解液的半固態(tài)電池。添加少量有機(jī)電解液，可以大幅改善界面接觸問(wèn)題，使得電池性能幾乎達(dá)到液態(tài)電池水平，同時(shí)在安全性、高低溫性能、散熱等方面還具有明顯優(yōu)勢(shì)。這種半固態(tài)電池解決了目前液態(tài)鋰電池安全問(wèn)題，但沒(méi)有解決能量密度問(wèn)題。由于負(fù)極不能采用金屬鋰，其能量密度將不會(huì)有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

表1 主要鋰電池技術(shù)路線特征

來(lái)源：氫云鏈

半固態(tài)鋰電池具有與液態(tài)鋰電池非常相近結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)可采用低溫壓合、卷式生產(chǎn)工藝，保證半固態(tài)電池生產(chǎn)成本與液態(tài)鋰電池具有一定可比性。目前陶瓷電解質(zhì)生產(chǎn)規(guī)模較小，成本仍然較高，使得半固態(tài)電池原材料成本偏高。另一方面目前半固態(tài)電磁生產(chǎn)良率仍然低于液態(tài)電池。大規(guī)模生產(chǎn)之后，半固態(tài)電池成本會(huì)大幅下降，但與液態(tài)電池相比，可能仍然會(huì)處于劣勢(shì)?？傮w來(lái)看，半固態(tài)電池核心優(yōu)勢(shì)是安全性，中短期（3-5年）內(nèi)，成本仍然處于較大劣勢(shì)地位。

圖1 匯能固態(tài)電池

輝能也意識(shí)到半固態(tài)電池不能完全解決現(xiàn)在里程焦慮，全固態(tài)金屬鋰電池也在積極開(kāi)發(fā)當(dāng)中。全固態(tài)電池由于不添加有機(jī)電解液，其界面接觸問(wèn)題需要通過(guò)其他手段來(lái)解決，目前仍然沒(méi)有較好的解決方案。為了提高固態(tài)電池能量密度，金屬鋰負(fù)極非常合適的解決途徑，但金屬鋰負(fù)極技術(shù)及相關(guān)界面問(wèn)題是非常大挑戰(zhàn)。雖然輝能朝固態(tài)電池邁進(jìn)了“半步”，但實(shí)現(xiàn)真正全固態(tài)電池還有更艱難的“半步”要走。

圖2 固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì) 來(lái)源：氫云鏈

3、豐田全固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)能力

早在2014年，豐田就透漏2025年左右要實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池汽車(chē)量產(chǎn)。近日，豐田執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官寺島茂樹(shù)(Shigeki Terashi)在東京車(chē)展前夕透露，豐田將在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)期間推出一款搭載固態(tài)電池技術(shù)的新能源車(chē)，該款車(chē)預(yù)計(jì)作為東京奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)上運(yùn)動(dòng)員及后期保障人員的出行巴士。

圖3 豐田固態(tài)電池樣車(chē)

根據(jù)公開(kāi)技術(shù)資料顯示，豐田采用了硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，正極采用現(xiàn)有三元材料，負(fù)極采用石墨。關(guān)鍵生產(chǎn)工藝采用卷到卷方式進(jìn)行，總體上與輝能生產(chǎn)工藝有一定相同之處。在電極漿料、壓合技術(shù)上采用了新的配方和方法。豐田固態(tài)硫化物電池在工藝上與輝能最大不同，是不需額外注入少量電解液。豐田固態(tài)電池可能是真正意義上的固態(tài)電池，這使豐田未來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬鋰負(fù)極、高電壓正極材料應(yīng)用，似乎水到渠成。

從豐田所采用材料體系推算，其電池能量密度與輝能半固態(tài)電池相當(dāng)，在能量密度方面不具備優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)法獲取生產(chǎn)良品率，無(wú)法判斷其成本與輝能差異，且目前談成本仍然為時(shí)尚早。在未來(lái)技術(shù)成熟的預(yù)期下，豐田和輝能所生產(chǎn)固態(tài)電池，成本可能較為接近?？傮w來(lái)看，目前豐田全固態(tài)硫化物電池體系，與輝能半固態(tài)電池體系優(yōu)勢(shì)基本相當(dāng)，能量密度問(wèn)題仍然無(wú)法完全解決。

圖4 豐田體積能量密度提升路徑

4、從理論上看，全固態(tài)電池是可以解決液態(tài)電池安全、能量密度問(wèn)題的。

輝能和豐田方案領(lǐng)先一步，提高了安全性，且實(shí)現(xiàn)低成本具有可行性（仍然需大規(guī)模生產(chǎn)驗(yàn)證）。未來(lái)通過(guò)高電壓、金屬鋰，可進(jìn)一步解決能量密度問(wèn)題。豐田固態(tài)電池從目前的材料體系延伸到未來(lái)的高電壓正極、金屬鋰負(fù)極材料，在工藝及材料體系方面更具有兼容性，因此其實(shí)現(xiàn)高能量密度固態(tài)電池量產(chǎn)可能會(huì)具有一定先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)鋰電池新材料、新工藝研發(fā)周期推算，在各種技術(shù)難題順利解決情況下，2025年之后高能量密度固態(tài)鋰電池或可實(shí)現(xiàn)原型開(kāi)發(fā)及小批量生產(chǎn)。固態(tài)電池未來(lái)能否取代液態(tài)電池，首要決定因素是成本差異，其次才是安全性。筆者認(rèn)為固態(tài)電池有希望把成本做到具有與液態(tài)電池相當(dāng)水平，但“好事多磨”，存在很多不確定因素。

圖5 不同種類(lèi)鋰離子電池能量密度

另一方面從氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化及技術(shù)分析，氫燃料電池技術(shù)優(yōu)勢(shì)及發(fā)展困境。自2014年底豐田推出第一代氫燃料電池以來(lái)，全球氫燃料電池汽車(chē)保有量已經(jīng)突破萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)2020年底保有量突破兩萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)將由導(dǎo)入期慢慢轉(zhuǎn)入成長(zhǎng)期。超長(zhǎng)續(xù)航能力及環(huán)保性成為了氫燃料電池汽車(chē)最閃亮標(biāo)簽。全球各地政府也在加大對(duì)政策扶持力度，相關(guān)企業(yè)加大投入紛紛建設(shè)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，希望推動(dòng)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期總會(huì)碰到各種各樣問(wèn)題，2019年可以稱(chēng)為氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展早期的質(zhì)疑階段（早期動(dòng)力電池也遭到嚴(yán)重質(zhì)疑，起火爆炸、成本高......）。2019年以來(lái)多起氫氣爆炸事件，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)外對(duì)氫氣安全性充滿質(zhì)疑，同時(shí)加氫站建設(shè)投入高，氫氣使用成本高，對(duì)氫燃料電池未來(lái)經(jīng)濟(jì)性也充滿了擔(dān)憂。筆者認(rèn)為氫燃料電池安全性是技術(shù)問(wèn)題，技術(shù)特征和使用成本才是市場(chǎng)定位的基準(zhǔn)。下面筆者將從使用成本、產(chǎn)品特性分析，明確鋰電和氫燃料電池在未來(lái)交通領(lǐng)域定位，供各位參考。

5、成本為王，短途、輕載場(chǎng)景鋰電更優(yōu)優(yōu)勢(shì)

采用煤制氫是目前成本最低氫氣制造方案，有機(jī)構(gòu)測(cè)算氫氣生產(chǎn)成本約10元/Kg，即豐田mirai消耗能源成本為10元/百公里，目前煤電發(fā)電成本低于0.3元/度，按照特斯拉汽車(chē)20度/百公里，消耗能源的成本為6元。這其中只是粗略考慮燃料/能源生產(chǎn)成本，暫未考慮氫氣儲(chǔ)運(yùn)與電力輸送成本的差異，很明顯使用氫氣成本必定大幅度高于充電的成本。因此筆者認(rèn)為在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，氫燃料電池汽車(chē)使用成本將大幅高于電動(dòng)汽車(chē)使用成本。鋰電池車(chē)輛更具有優(yōu)勢(shì)，其核心原因是鋰電能量轉(zhuǎn)換效率高，使用成本低。

圖6 兩種電池成本-續(xù)航里程對(duì)比

6、超長(zhǎng)續(xù)航，長(zhǎng)途、重載場(chǎng)景氫燃料電池優(yōu)勢(shì)明顯

氫燃料電池由于能量密度高，長(zhǎng)續(xù)航優(yōu)勢(shì)明顯，可以運(yùn)用于大載荷場(chǎng)景，如大型遠(yuǎn)洋船舶、重型長(zhǎng)途車(chē)輛，而動(dòng)力電池是難以勝任這些應(yīng)用場(chǎng)景的。在燃料電池發(fā)展早期，我們已經(jīng)看到其在大型船舶、火車(chē)、重載車(chē)輛領(lǐng)域的應(yīng)用嘗試，筆者認(rèn)為氫燃料電池在這些領(lǐng)域應(yīng)用更具有優(yōu)勢(shì)。而固態(tài)電池延續(xù)了液態(tài)鋰電池優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在一定程度上彌補(bǔ)了其續(xù)航里程（能量密度）不足問(wèn)題，但其仍然難以與燃料電池相比。

氫燃料電池和鋰電池在很多應(yīng)用領(lǐng)域是相互補(bǔ)充的，比如在電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域，氫燃料電池容量大，而鋰電池響應(yīng)快，在電網(wǎng)儲(chǔ)能中起到作用也不盡相同。鋰電功率密度大、氫電能量密度高，電-氫混合技術(shù)成為目前氫燃料電池汽車(chē)主要采用技術(shù)路線。能源領(lǐng)域從來(lái)都是受到政府管制的，未來(lái)不排除政府通過(guò)稅收及相關(guān)管制措施，調(diào)節(jié)氫燃料電池使用成本，使得氫氣使用成本具有比較優(yōu)勢(shì)。筆者認(rèn)為不能單純否定某一種技術(shù)，二者具有非常好的互補(bǔ)性，協(xié)調(diào)二者發(fā)展才能更好促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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