本帖最后由 潔制Amy 于 2019-8-2 11:31 編輯 " |9 p' F! ^ w$ a. R0 h
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新能源汽車，電池是關鍵，也決定了該新能源汽車的類別。在電動汽車中，鋰電池是現(xiàn)階段最為成熟、性能較為穩(wěn)定、應用最為廣泛的動力電池。 0 d9 v. Q# d0 q# @* J+ C# c
隨著燃料電池的不斷發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了初步的共識，新能源汽車未來將是以鋰電池作為主動力電池的新能源汽車和以燃料電池為主動力電池新能源汽車共存的局面。 ' G( I% H q! ]. M! V
今年7月10日，中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布了6月汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)。中國汽車產(chǎn)銷量分別為189.5萬輛和205.6萬輛，同比分別下降17.3%和9.6%，為連續(xù)12個月銷量下滑。但在新能源汽車方面， 6月份當月純電動汽車產(chǎn)銷分別完成11.3萬輛和12.9萬輛，比上年同期分別增長78.0%和106.7%。燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成508輛和484輛，比上年同期分別增長9.8倍和14.6倍。1-6月，純電動汽車產(chǎn)銷分別完成49.3萬輛和49.0萬輛，比上年同期分別增長57.3%和56.6%。燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1170輛和1102輛，比上年同期分別增長7.2倍和7.8倍。從以上數(shù)據(jù)及往年各年數(shù)據(jù)可知，新能源汽車成為我國汽車行業(yè)未來的主流是大勢所趨，那么作為未來兩種新能源主流車核心的兩種動力電池，各自有哪些特點以及各方面的性能比較是如何的呢？ 8 |' l/ I, Z- ~. Q
鋰電池
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鋰電池主要是指在電極材料中使用了鋰元素作為主要活性物質(zhì)的一類電池，主要包括鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類。本文中講的鋰電池主要為鋰離子電池。鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，是可以充放電的電池。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)主要包括正極、隔膜、負極、電解液和電池外殼。正極：一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料（俗稱三元），純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。隔膜：為一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。負極：一般為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳。電解液：是電池中離子傳輸?shù)妮d體，一般由鋰鹽和有機溶劑組成，主要作用是在鋰電池正、負極之間傳導鋰離子。電池外殼：分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，主要用來保護電池用。鋰離子電池根據(jù)正極材料分主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰等，目前在車用方面較為成熟的為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，前者的代表是比亞迪，后者為特斯拉。
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燃料電池 1 L8 e X) S! o4 q; y
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。 它是按電化學原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實際過程是氧化還原反應。燃料電池主要由三部分組成，電極、電解質(zhì)和外部電路。燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應與氧化劑發(fā)生還原反應的電化學反應場所，主要包括陽極和陰極，厚度一般為200－500mm，其結(jié)構(gòu)與一般電池的平板電極不同為多孔結(jié)構(gòu)，目的是提高燃料電池的實際工作電流密。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。外部電路一般有雙極板構(gòu)成，雙極板具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反應氣體等作用，其性能主要取決于其材料特性、流場設計及其加工技術。 " z$ N" C/ K1 P2 t9 ]% T
常用的燃料電池按其電解質(zhì)不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于具有多種性能優(yōu)勢，包括電池操作溫度低、啟動速度快等，是目前應用較為成熟和廣泛的燃料電池，在全球出貨量和出貨兆瓦數(shù)方面占據(jù)主導地位。 燃料電池的燃料主要是氫氣、甲醇等碳氫化合物。本文中的燃料電池主要以氫燃料電池為例進行分析。
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兩種電池的全方位對比
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同為新能源電池，鋰電池輸入/輸出電能，實際上是先將輸入的電能儲備起來，待到用時再通過輸出的裝置輸出電能。 燃料電池其實相當于傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機。內(nèi)燃機燒油，只是能量轉(zhuǎn)化裝置，不是儲能裝置；燃料電池燒氫氣，也是能量轉(zhuǎn)化裝置，不是儲能裝置。而鋰電池是儲能裝置，所以嚴格來說，燃料電池不是電池，是發(fā)動機。因此，燃料電池是發(fā)電裝置，而鋰電池是儲能裝置。下表為兩種動力電池的綜合對比，對比因素包括綜合性能方面、成本、政策支持、資源約束性、環(huán)境保護、商業(yè)化程度。 & h# P: b3 [# e4 E4 R
能量密度 ( i7 M) b" N2 @: b! [4 a
能量密度（Energy density）是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。
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電池的能量密度又分為單體電芯的能量密度和電池系統(tǒng)的能量密度，電池系統(tǒng)的能量密度低于單體電芯。
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鋰電池系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，由于受制于鋰元素特性，已目前在鋰電池中能量密度最高的三元鋰電池為例，其單體能量密度也僅為1.08MJ/kg（電池包系統(tǒng)衰減20%）。未來如果要提升鋰電池的能量密度，需依靠全固態(tài)電池技術的突破，但其能量密度上限也不高。
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燃料電池系統(tǒng)屬于開放性系統(tǒng)，其能量密度實質(zhì)上取決于儲氫量，氫氣本身的能量密度為143MJ/Kg，而且目前燃料電池系統(tǒng)能量密度超過350wh/kg，未來隨著儲氫技術的進步，能量密度提升仍有非常大的空間。 功率密度 9 `9 m" D7 y$ M& P0 B/ C7 m$ k* B
功率密度是動力電池最大輸出功率與電池系統(tǒng)質(zhì)量或體積的比值。 鋰電池系統(tǒng)如果提高其輸出功率使其能夠高功率放電，一般解決辦法是增加電池數(shù)量，這樣同時會加大整個電池系統(tǒng)的重量，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。因此鋰電池系統(tǒng)高功率放電與高續(xù)航里程無法兼容，功率密度提升有限。 # B! O3 i# k7 |6 h; x8 T
燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，一般為了最大提高放電功率只要附加動力電池系統(tǒng)即可，如豐田Mirai配套了鎳氫電池。燃料電池系統(tǒng)作為一個開放動力系統(tǒng)，輸出功率提升容易，附加的電池也不會增加過多重量，豐田Mirai功率密度達到了2036W/kg。 ; s. w- s g1 P7 D3 n& S
安全性 - M. ~5 Z7 ?1 x) ^+ u, x
無論搭載鋰電池的純電動車還是搭載燃料電池的汽車，只要是汽車那么安全性就是最重要的指標。 鋰電池作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，如果單純追求高能量密度，那么整個鋰電池系統(tǒng)就相當于炸彈。因此現(xiàn)在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性較好，電池溫度達到500~600度時才開始分解，基本不需要太多的保護輔助設備。elsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250~350度就會分解，安全性差。其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)的電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險。但是如果分析特斯拉汽車發(fā)生的事故，要么是輕微的碰撞，要么是靜態(tài)情況，但電池卻著火了，因此其安全性方面還存在很多問題。 : @4 g F9 u7 Q
燃料電池本身安全性很好，其用于車載后，因此其安全性主要來自于儲氫系統(tǒng)。但通過大量的實驗證明，相比汽油和天然氣這兩種常見的車用可燃氣體，氫氣的安全性并不差。現(xiàn)在車用儲氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發(fā)無損。即使車禍導致泄露，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。因此隨著商業(yè)化推進，其整體安全性是可控的。
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可靠性
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電池的可靠性指的是電池發(fā)生事故導致其喪失電能存儲能力的概率。 鋰電池的可靠性與其安全性問題有很大的關聯(lián)，但是卻不是一個概念。鋰電池發(fā)生安全性事故，必然將導致其喪失電能存儲能力。但鋰電喪失電能存儲能力并不都是發(fā)生安全性事故而導致，比如由于容量“跳水”導致的電池失效。鋰電池系統(tǒng)是由成百上千個單體電芯通過串并聯(lián)組裝在一起的，因此整個電池系統(tǒng)的不可靠性將被急劇放大。從國內(nèi)純電動汽車所積累的數(shù)據(jù)來看，鋰電池系統(tǒng)的可靠性目前還不能令人滿意。而燃料電池從上個世紀70年代就已經(jīng)應用于航天飛機，美國國際燃料電池公司（IFC）生產(chǎn)的第三代AFC（標稱/極限功率7.0/12.0 KW）后來成為美國航天飛機的標準動力源。
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目前全球正在或者即將服役的常規(guī)潛艇大多采用PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）作為主動力電池系統(tǒng)。俄羅斯、韓國、澳大利亞、以色列和意大利的新型常規(guī)潛艇都采用PEMFC燃料電池技術，大型PEMFC電堆單純就技術層面而言已經(jīng)發(fā)展到了高度完善可靠的程度。因此燃料電池具有極高的可靠性。環(huán)境溫度適應性。由于汽車使用地域的廣泛性，對于新能源汽車而言，溫度適應性就非常重要了，其能適應什么樣的溫度范圍則取決于動力電池本身。 5 ?6 G' H: W. N
當前，鋰電池在零度以上的生活環(huán)境中性能不會受到到影響，但是零度以下出現(xiàn)的問題是其急需解決的難題。鋰電的低溫性能主要取決于溫度對電極材料的電導、離子擴散系數(shù)以及電解液電導率的影響。低溫下電解液的粘度增大電導率下降，導致電池極化急劇增加。尤其當鋰電池在接近零度時，其性能急劇下降，-20℃幾乎無法正常工作。而且低溫下頻繁充放電會嚴重惡化鋰電池的壽命，并且容易導致負極析出鋰而帶來安全隱患。
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燃料電池在啟動以后，由于電池本身的工作原理會放熱，即使是在很低的環(huán)境溫度下燃料電池電堆的溫度也會很快穩(wěn)定在80~90℃的正常工作溫度范圍。豐田和本田公司的燃料電池汽車已經(jīng)做到了-30℃啟動，但是對于燃料電池而言，仍然需要繼續(xù)提高其在低溫下的性能，-40℃是未來的主要目標。 " s9 \7 l H2 A9 E
相關成本
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動力電池涉及到了方方面面的成本，包括消耗成本、電池本身的成本和基礎設施成本。 鋰電池方面 鋰電池消耗的是電，其成本主要是電費，鋰電池汽車一般百公里耗電量約為17度，按照電價按照0.5元（家庭充電）~2.2元/度電（商用）來計算，其消耗成本為8.5~37.4元/百公里。 鋰電池本身的成本價格，根據(jù)相關資料計算，其價格在8~9元/kwh左右。 鋰電池車用的基礎設施主要為充電站，目前單個充電站基礎設施和配電設施投資在430萬元左右。 燃料電池方面 燃料電池消耗的是氫氣，消耗成本即為氫氣消耗量的價格。 當前我國已商業(yè)化的加氫站氫氣銷售價格在30~120元/公斤之間（上海驛藍加氫站氫氣價格為40~45元/公斤），按照乘用車一公斤氫氣續(xù)航100公里計算，其成本為30-120元/百公里。燃料電池本身的成本跟產(chǎn)量有關，由于國外燃料電池汽車相對國內(nèi)較為成熟，因此成本相對較低。根據(jù)相關資料計算，國外當燃料電池產(chǎn)量達到50萬臺時其成本可以降至40美元/kW，當前國內(nèi)由于產(chǎn)量小，電池成本在1~1.5萬/kw之間。 1 w# v' t6 ]0 N* E: M
燃料電池車用的基礎設施為加氫站，加氫站的建設成本跟其加氫能力有關，一般來說，加氫能力越大，加氫站整體投資價格越高。根據(jù)公開資料顯示，國內(nèi)500kg/d供氫能力的加氫站的投資規(guī)模在1200~1800萬之間。其中南海瑞暉加氫站成本1550萬元，佛羅路加氫站成本1250萬元，瀚藍松崗禪炭路加氫站成本為2985萬元。當前我國加氫站建設價格最高的為上海驛藍金山加氫站，此加氫站也為目前全球規(guī)模最大的加氫站，總投資額5500萬元。
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政策支持 8 \1 b+ K# J3 g5 Y2 h" k: e
無論鋰電池汽車還是燃料電池汽車，由于其各方面高額的成本，前期發(fā)展均需要國家的大力支持。 2019年3月26日，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部和發(fā)展改革委四部委聯(lián)合發(fā)布了《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》。 重點內(nèi)容包括： 1、國補力度大幅退坡，補貼基數(shù)綜合下降程度超50%； 2、2019年3月26日至2019年6月25日為過渡期，期間按2018年補貼的0.1倍和0.6倍進行補貼； 3、過渡期后地補取消，轉(zhuǎn)為支持充電（加氫）等配套設施； 4、電池技術要求更高，但調(diào)整系數(shù)下修。 該政策中與燃料電池相關的有： 1、3月26日—6月25日為過渡期，期間銷售上牌的燃料電池汽車按2018年對應標準的0.8倍補貼； 2、燃料電池汽車和新能源公交車補貼政策另行公布； 3、地方補貼需支持加氫基礎設施“短板”建設和配套運營服務； 4、延續(xù)2018年預撥資金政策，從2019年開始有運營里程要求的車輛完成銷售上牌后即預撥一部分補貼資金。 而且最近工信部正聯(lián)合其他部委，醞釀研究針對燃料電池的新補貼政策。據(jù)了解，相關補貼思路并不是像之前那樣補到整車廠，而是考慮補貼生產(chǎn)核心部件的廠家。從以上可以看出，純電動的補貼在逐步下滑，燃料電池方面補貼力度仍然較大，而且從最近政策動態(tài)看，國家非常重視燃料電池汽車的發(fā)展將使其逐步走向正規(guī)。 - j9 f* q V5 x) K1 S0 a
資源約束 / }1 r) a# V+ t
對于鋰電池而言，資源來源主要是鋰礦石，鋰的全球儲量是1400萬噸， 2017年以電動車為主的鋰消耗量約23萬噸。 隨著全世界新能源純電動汽車的快速發(fā)展，假設2020年全球新能源汽車銷量達到500萬輛，全球鋰資源折合為碳酸鋰當量其需求將達到46.6萬噸。 隨著鋰資源的緊缺，其價格也將水漲船高，也將是制約電動汽車發(fā)展的隱性因素，因此未來鋰資源量很難支撐電動汽車的快速發(fā)展。燃料電池在資源方面的約束主要是鉑金。鉑金被廣泛應用于汽車、工業(yè)、首飾及投資領域。數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鉑金在汽車催化劑領域的應用比例最高，占到總需求的37~41%，是鉑金第一大消耗應用。燃料電池的催化劑要用到貴金屬鉑，市場普遍擔心其資源約束
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目前每輛氫燃料電池汽車鉑的使用量為20克~30克，豐田Mirai單車鉑消耗量約為20g，隨著技術的進步，鉑金作為燃料電池催化劑用量近些年在不斷下降。豐田計劃在未來將鉑單耗降低75%，并實現(xiàn)催化劑的鉑回收。因此未來鉑金對于燃料電池的發(fā)展不會產(chǎn)生阻礙。 7 I, G% e/ I9 k" Q- D; D
環(huán)境保護 ( C C! V$ b x
鋰電池的原料為電力，目前我國電力結(jié)構(gòu)中仍然以煤電為主，煤電近些年通過改造在污染排放方面取得了非常大的進步，但仍無法做到零排放、零污染，因此鋰電池的使用從一定程度上來講是有一定的污染性的。
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燃料電池的原料為氫氣，氫氣的制取路線眾多，隨著未來燃料電池汽車的發(fā)展，我國又是可再生能源第一大國，未來氫氣將基本由可能生能源來制取，因此可以說是真正的零污染、零排放。
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商業(yè)化程度 $ Q$ m' M0 m0 L& j- K) m
鋰電池在我國以及全世界范圍內(nèi)的應用非常成熟。在車用方面，電動車從2013~2015年是從0到1的過程，從2016~2018年實現(xiàn)了從1到10，電動汽車銷量不斷攀升，目前產(chǎn)業(yè)鏈非常成熟，已經(jīng)完全的實現(xiàn)了商業(yè)化 5 w: ^% ^7 J5 }6 H# y' j
燃料電池目前無論是車用還是其他應用方面均不是非常成熟，燃料電池作為車用是我國以及全世界首要的應用方向。 2018年全年我國燃料電池汽車產(chǎn)銷僅完成1527輛，但是2019年1-6月份，燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1170輛和1102輛，比上年同期分別增長7.2倍和7.8倍，發(fā)展非常迅速。但是由于燃料電池本身存在成本較高、基礎設施不完善等因素，燃料電池應用最成熟的日本也未能實現(xiàn)完全的商業(yè)化，我國更是處于商業(yè)化的初期。 , h4 E% J+ W% B# V g3 N! @
總 結(jié)
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鋰電池和燃料電池，兩者在性能、制造、成本、應用等方面都既有優(yōu)勢又有缺陷，在不同場景下使用不同的汽車，可以使我國的新能源汽車布局更加合理完善。 通過兩種電池的特性可以得知，純電動更加符合短途，目前產(chǎn)業(yè)鏈配套發(fā)展也較為成熟，在相當長的一段時間內(nèi)，主流地位難以被撼動。 而燃料電池車會在長續(xù)航里程需求迫切、能夠集中使用加氫站的客車、重卡甚至船舶、軍工等領域獲得一席之地。（作者：劉濤）
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