詳解鋰電池與燃料電池的微妙關(guān)系

4月23日，工業(yè)和信息化部新聞發(fā)言人、運(yùn)行監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)局局長黃利斌在介紹2019年一季度工業(yè)通信業(yè)發(fā)展情況并答記者問時(shí)回答道，“我們認(rèn)為氫燃料電池汽車將與純電動(dòng)汽車長期并存互補(bǔ)，共同滿足交通運(yùn)輸和人們的出行需要?！?/span>

黃利斌表示，氫燃料電池汽車和采用鋰電池的純電動(dòng)汽車都是新能源汽車的重要技術(shù)路線。從技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)看，純電動(dòng)汽車更適用于城市、短途、乘用車等領(lǐng)域，而氫燃料電池汽車更適用于長途、大型、商用車等領(lǐng)域。從目前看，氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程明顯要晚于純電動(dòng)汽車。

黃利斌認(rèn)為，我國氫燃料電池汽車在基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)集成等方面與國際先進(jìn)水平還存在差距，整車成本較高，氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也相對(duì)滯后。氫燃料電池汽車的發(fā)展不僅是一個(gè)技術(shù)問題，還依賴于整體氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展及相關(guān)的政策、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的不斷優(yōu)化完善，某種程度上比電動(dòng)汽車的推廣難度可能還要大。

下一步，工信部將聯(lián)合有關(guān)部門開展示范運(yùn)行，破解氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化難題，大力推進(jìn)我國氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。同時(shí)，工信部還將通過以下措施進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

一是堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，完善以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新體系。充分發(fā)揮企業(yè)的主體作用，加快產(chǎn)品升級(jí)換代步伐，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

二是加快充電設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化公共充電樁布局，研究新能源汽車專用號(hào)牌基礎(chǔ)上，給予更多使用環(huán)節(jié)的優(yōu)惠措施，提升用戶使用體驗(yàn)。

三是完善扶持政策，實(shí)施《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量及新能源汽車積分并行管理辦法》，建立新能源汽車市場(chǎng)化發(fā)展的長效機(jī)制，引導(dǎo)地方財(cái)政補(bǔ)貼從鼓勵(lì)購買向支持充電設(shè)施建設(shè)、補(bǔ)貼充電服務(wù)費(fèi)等使用環(huán)節(jié)過渡。

四是健全體制機(jī)制，完善新能源汽車監(jiān)管信息平臺(tái)，建立健全安全檢查制度、消防救援體系、安全事故調(diào)查處理機(jī)制等，提高新能源汽車的安全運(yùn)行水平。預(yù)計(jì)今年新能源汽車產(chǎn)量可能會(huì)超過150萬輛。

黃利斌表示，近年來，我國新能源汽車發(fā)展取得了顯著成效，推廣規(guī)模全球領(lǐng)先，技術(shù)水平顯著提升，整車和關(guān)鍵零部件均取得長足進(jìn)步。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)順利推進(jìn)，特別是《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》的實(shí)施，標(biāo)志著我國新能源汽車市場(chǎng)化發(fā)展的長效機(jī)制在不斷完善。整體看，我國已建立起全球最為完備的新能源汽車發(fā)展支持體系。同時(shí)，我國新能源汽車的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)也在逐步優(yōu)化，在乘用車銷售中的占比進(jìn)一步提高，個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)也在快速興起。

在黃利斌看來，上個(gè)月對(duì)新能源財(cái)政補(bǔ)貼政策做出的調(diào)整，是基于2020年以后補(bǔ)貼政策全面退出，并根據(jù)新能源汽車規(guī)模效益、成本等因素，以及補(bǔ)貼政策退坡退出的規(guī)定，綜合考慮作出的調(diào)整，有助于發(fā)揮補(bǔ)貼政策的基礎(chǔ)性、導(dǎo)向型作用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勝劣汰，防止市場(chǎng)出現(xiàn)大起大落。

接下來讓我們一起探討燃料電池與鋰電池的微妙關(guān)系

一、什么是燃料電池（FC）？它與鋰離子二次電池有何不同？

操作原理與Li離子二次電池的操作原理相同，都是負(fù)極材料被正極材料氧化時(shí)，釋放電量。具體到燃料電池就是氫氧化形成水的反應(yīng)，與緩慢燃燒一樣。所不同的是由H離子代替Li離子移動(dòng)放電（發(fā)電），因此燃料電池也可以說是“H（氫）離子電池”。不過，目前已經(jīng)商用化的只有不能充電的一次電池。

PEFC（固態(tài)高分子型燃料電池）的組成

二、與鋰離子二次電池相比有哪些特點(diǎn)？如果不能充電那是一次性的嗎？

氫氣本身的燃燒能量密度是汽油的3倍。即使是在燃料電池系統(tǒng)中，能量密度也高達(dá)鋰離子二次電池的5倍左右，因此可以使用很長時(shí)間。即使初始容量耗盡，也不會(huì)是一次性的。原因是正極材料（氧氣）在空氣中存在且不會(huì)消失。負(fù)極材料（氫）也是氣體，當(dāng)它消耗完后可以重新填充。

三、氫氣來自哪里？

（例如）可以從水或太陽提取，然后將提取的氫氣在燃料電池中使用時(shí)，它又會(huì)變回水。太陽能發(fā)電和水電解設(shè)備，燃料電池可以說是通過水和氫將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)制。

包含氫氣制造的材料循環(huán)圖

四、二十年前日本就在提燃料電池與氫氣社會(huì)，這一次是真的要來到了嗎？

最近，各種技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)環(huán)境的變化顯示時(shí)機(jī)有到來的趨勢(shì)。例如：

輸出密度比20年前提高了3倍以上。

電動(dòng)汽車（EV）、無人機(jī)等領(lǐng)域一度引起熱潮，但在實(shí)際用途中續(xù)航里程以及充電時(shí)間等痛點(diǎn)問題非常深刻，越來越多人意識(shí)到燃料電池可能解決上述問題。

目前普遍使用城市燃?xì)夂图状甲鳛槿剂希谴嬖跉滢D(zhuǎn)化過程中一部分能量被消耗的問題。通過直接使用純氫，可以得出燃料電池的原始性能。目前基礎(chǔ)設(shè)施在逐步完善。

五、如果燃料電池出來，還需要鋰離子二次電池嗎？FCV與EV的關(guān)系將會(huì)如何？

最佳使用方式在技術(shù)上是不同的，通過組合使用燃料電池與鋰離子電池，可以創(chuàng)建迄今無法完成的新應(yīng)用或避免浪費(fèi)成本。而且許多現(xiàn)有的燃料電池汽車（FCV）配備了容量不小的二次電池，實(shí)際上是半EV產(chǎn)品的形態(tài)。所以經(jīng)濟(jì)合理性對(duì)于推廣才是最重要的，目前可預(yù)見的趨勢(shì)首先是與鋰離子二次電池一起使用才更合適。

FCV考慮首先從商用車輛（公共汽車，長途卡車，叉車，無人機(jī)等）引入，其中續(xù)航里程和稼動(dòng)率很重要。如果未來自動(dòng)駕駛普及的話，城市汽車采用FCV的可能性也很大。

六、有一種說法是日本雖然技術(shù)先進(jìn)，但布局太早是否被孤立了？

雖然日本制造商在技術(shù)方面保持優(yōu)勢(shì)，但海外也在猛烈追趕。在市場(chǎng)開拓和發(fā)展氫氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施等方面，不如說海外現(xiàn)在的進(jìn)展更快。美國Amazon和Walmart已經(jīng)共計(jì)導(dǎo)入了約2萬臺(tái)燃料電池（FC）叉車。日本早期布局很早，但中間睡覺了，猛然覺醒的當(dāng)下，有點(diǎn)睡過頭的兔子的狀態(tài)。

七、與LIB電池將保持互補(bǔ)的關(guān)系

我們比較了面向汽車市場(chǎng)的LIB和FC兩種電池技術(shù)的特征。FC電池具備明顯優(yōu)勢(shì)的方面是：

（1）高能量密度，

（2）燃料（充電）時(shí)間短，

（3）大容量化時(shí)低成本。

FC電池與LIB電池不是競(jìng)爭(zhēng)而是互補(bǔ)關(guān)系

FC系統(tǒng)與鋰離子二次電池（LIB）的比較。能量密度方面即使考慮氫氣罐等，F(xiàn)C系統(tǒng)依然勝出。另一方面，F(xiàn)C的負(fù)荷跟隨性和電力利用效率低。雖然容量增加可以實(shí)現(xiàn)低成本，但是高功率輸出的成本就比較昂貴。FC使用的加氫站日本國內(nèi)僅有大約100個(gè)，但快速充電器就有大約7000所，如果包含家用交流電源，則電動(dòng)車得充電設(shè)施數(shù)量與FC差異巨大。

（A）EV與FCV長途駕駛時(shí)的優(yōu)劣比較

（B）EV和FCV的用途區(qū)分

八、行駛距離越長差異就越大

使用EV卡車和FCV卡車時(shí)的差異（a）。EV卡車的速度通常相對(duì)較快，但巡航距離較短。此外，現(xiàn)有充電設(shè)施需要超過3個(gè)半小時(shí)才能充滿電。充電時(shí)間成為長途旅行的一大損失。另一方面，即使FCV卡車的行駛速度低，巡航距離很長，充氫只需15到20分鐘。因此，F(xiàn)CV卡車的平均時(shí)速更高。

為了區(qū)別應(yīng)用，在不需要長續(xù)航距離的城市道路應(yīng)用中，充電機(jī)會(huì)多且電力利用效率更高得EV是有利的，另一方面重型應(yīng)用與無人機(jī)等電池的重能量密度很重要的應(yīng)用，以及24小時(shí)駕駛的自動(dòng)駕駛出租車等應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)CV都成為更有利的選擇。最近，還開始開發(fā)用于自動(dòng)駕駛車輛在氫站充氫時(shí)不需要人員介入的充氫機(jī)器人動(dòng)向（b）。

九、LIB電池彌補(bǔ)FC電池的弱點(diǎn)

雖然按照上面得說法即使都用FCV電池看起來也還不錯(cuò)，但現(xiàn)實(shí)并非如此，同樣FCV還存在一些弱點(diǎn)。具體而言，（1）短距離應(yīng)用中的電力使用效率低，（2）負(fù)載跟隨能力低，（3）不容易實(shí)現(xiàn)高功率輸出，（4）充電基礎(chǔ)設(shè)施，即充氫站的數(shù)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

（A）從發(fā)電到使用全過程中，LIB的效率是FC的兩倍

（B）考慮車輛重量等因素后的巡航距離和效率之間的關(guān)系

十、電力的一般利用效率與汽車效率不同

考慮到諸如FC和LIB等二次電池的一般電力使用效率，F(xiàn)C僅具有LIB（a）的1/2效率。這是因?yàn)镕C需要將電轉(zhuǎn)換成氫，壓縮并輸送，然后再次將氫轉(zhuǎn)換成電的過程中損失很大。另一方面，如果考慮巡航范圍不同的車輛功率使用效率，車輛或無人駕駛飛機(jī)二次電池重量能量密度低。同時(shí)因?yàn)檫\(yùn)輸電池本身也會(huì)消耗電量，如果通過加大電池?cái)?shù)量來提高續(xù)航里程效率反而會(huì)急劇下降（b）。

所以符合這一邏輯的構(gòu)圖是LIB電池僅適用于通過小電池容量就能滿足的短距離駕駛EV。裝載大容量電池以獲得續(xù)航里程的EV車型中，大部分電力將用來運(yùn)輸電池本身，實(shí)際效率將低于FCV車型。無人駕駛飛機(jī)應(yīng)用上這一邏輯更加明顯。

許多FCV車型實(shí)際是二次電池和FC電池的混合動(dòng)力型

根據(jù)馬力和續(xù)航里程對(duì)目前市面已經(jīng)發(fā)布的EV和FCV進(jìn)行了分類，F(xiàn)CV大約具備相同馬力的EV車型兩倍的續(xù)航里程。然而，最近的FCV車型一般都會(huì)搭載小型EV差不多相同容量的二次電池，由二次電池和FC的混合系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

十一、單獨(dú)的DRAM，或單獨(dú)的HDD都無法獨(dú)自驅(qū)動(dòng)

順便提一下，LIB和FC在內(nèi)的存儲(chǔ)能源技術(shù)之間的關(guān)系非常類似于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中DRAM，SSD，HDD，磁帶等的關(guān)系（圖10）。盡管DRAM具有低延遲，但是增加容量需要很大的成本，因此人們將它與SSD（盡管延遲稍大，但比特率低）結(jié)合使用。此外，為了確保更大的記錄容量或長期存儲(chǔ)一般用HDD，而日常則與系統(tǒng)分開保管的磁帶更受歡迎。

FC電池類似于存儲(chǔ)器中HDD或是磁帶的定位

根據(jù)數(shù)據(jù)記錄（存儲(chǔ)器）技術(shù)的特性差異進(jìn)行區(qū)分（a），以及根據(jù)各種蓄電/存儲(chǔ)能量技術(shù)的特性差異（b）進(jìn)行比較。在成本和響應(yīng)性方面，LIB電池類似于存儲(chǔ)器技術(shù)中閃存一樣的存在。另一方面，F(xiàn)C電池對(duì)應(yīng)于HDD和磁帶。類似于存儲(chǔ)技術(shù)中結(jié)合不同特性的技術(shù)使得個(gè)人計(jì)算機(jī)等成為更加有用的設(shè)備，利用蓄電/能量存儲(chǔ)技術(shù)的組合也有可能產(chǎn)生更高價(jià)值。

LIB作為能量儲(chǔ)存技術(shù)在相對(duì)短時(shí)間內(nèi)充放電用途上由于高效率等優(yōu)勢(shì)實(shí)用價(jià)值高，但用于大規(guī)模或長期存儲(chǔ)的目的則成本太高。與之相反，F(xiàn)C電池在長時(shí)間內(nèi)充放電用途上性能優(yōu)異，可以成為非常低成本的長期存儲(chǔ)手段。如果LIB和FC互相補(bǔ)充對(duì)方的弱點(diǎn)，則在一些目前各自單獨(dú)都無法完成的用途上產(chǎn)生新突破的可能性極其高。

十二、LIB和FC電池兩面夾擊“抽水蓄電“

甚至還出現(xiàn)了將上述觀點(diǎn)細(xì)化研究形成的論文，考慮了制造成本和使用成本的長期變化，以及使用的差異等。2019年1月，英國帝國理工學(xué)院的研究人員展示了9種儲(chǔ)能技術(shù)的最低利用成本的應(yīng)用及這些技術(shù)隨時(shí)間的變化，包括LIB和FC電池。

（a）最便宜的節(jié)能技術(shù)隨著時(shí)期不同而變化

（b）如果不能使用壓縮空氣和抽水蓄能發(fā)電前提下，2030年后的狀態(tài)

十三、未來的LIB和燃料電池/氫將成為主要的存儲(chǔ)技術(shù)

英國帝國理工學(xué)院（a）研究人員所展示的放電頻率和放電時(shí)間成本競(jìng)爭(zhēng)力最高的技術(shù)。對(duì)九種技術(shù)（LIB電池，F(xiàn)C /氫，NAS（鈉-硫）電池，鉛（Pb）電池，氧化還原液流釩利用率（VRFB），空氣壓縮，抽水發(fā)電蓄能，風(fēng)車，雙電層電容器）從2015年到2050年的成本變遷進(jìn)行了比較。色密度越高，成本競(jìng)爭(zhēng)力越高。縱軸的放電時(shí)間與功率容量和備用容量等高相關(guān)，這意味著，只要放電時(shí)間越長，放電頻率越小（左上區(qū)域）就越適合大容量的電量儲(chǔ)存。2040年，LIB電池將部分取代抽水蓄能發(fā)電的主要應(yīng)用，而FC /氫氣已確立了其大型電力的儲(chǔ)備技術(shù)地位。如假設(shè)抽水蓄能發(fā)電不能使用，2030年后FC/氫氣和LIB將變成新的兩大儲(chǔ)能技術(shù)（b）。

根據(jù)這一推測(cè)，成本競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的LIB電池取代的將不是FC電池而是抽水發(fā)電。2015年左右抽水發(fā)電成本最低的許多地區(qū)將在2040年被LIB電池取代。雖然抽水蓄能發(fā)電和LIB的“邊界”在2015年重點(diǎn)放在放電是否超過1小時(shí)，但到了2040年后LIB價(jià)格大幅下降，甚至到放電需要12小時(shí)的一些用途上，LIB都能體現(xiàn)出成本優(yōu)勢(shì)。

目前，日本及歐美電力系統(tǒng)都已經(jīng)開始大量引入LIB以維持電力產(chǎn)量水平。例如，GS Yuasa計(jì)劃在2020財(cái)年之后向北海道電力公司的電力系統(tǒng)引入額定輸出功率為240兆瓦，容量為720兆瓦時(shí)的LIB電池。在考慮LIB的成本時(shí)，重要的不僅僅是容量，而是額定輸出和容量之間的關(guān)系。上述情況下的容量額定輸出為3小時(shí)。鑒于上述論文，考慮到2015年后LIB的價(jià)格下跌，將其與抽水蓄能發(fā)電區(qū)分是合理的。反過來假設(shè)要在此額定輸出下繼續(xù)放電24小時(shí)，則需要5.76 GWh（5760 MWh）的容量，目前來說是不現(xiàn)實(shí)的。

另一方面，在更長充放電時(shí)間的使用用途上，F(xiàn)C/氫技術(shù)也逐漸侵蝕當(dāng)前的抽水蓄電的使用區(qū)域，2040年之后將成為持續(xù)3天以上放電用途中成本最為低廉的技術(shù)。事實(shí)上，在英國，氫被用作儲(chǔ)存數(shù)月電力的一種儲(chǔ)存技術(shù)已經(jīng)在使用。

十四、在LIB和FC /氫氣時(shí)代的兩大技術(shù)

順便說一下，抽水蓄能發(fā)電是一個(gè)非常大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，使用兩個(gè)水壩，其環(huán)境負(fù)擔(dān)很高，因此未來很難增加建設(shè)。車載應(yīng)用肯定是無法實(shí)現(xiàn)，并且其他可用的場(chǎng)景也是有限的。如果將抽水蓄能和空氣壓縮從上面的選擇項(xiàng)中去除，則到了2030年能夠留下來的就是LIB和FC /氫，以及風(fēng)車發(fā)電或雙層電容器。這之后的20年至2050年情況可能都不會(huì)發(fā)生太大變化，除非出現(xiàn)意想不到的新技術(shù)，否則LIB和FC/氫的兩大技術(shù)時(shí)代將至少持續(xù)數(shù)十年。