鉅大LARGE | 點擊量：872次 | 2021年07月26日
氫燃料動力鋰電池和鋰離子電池比較
鋰離子電池作為蓄電池的一種，是個關閉體系，電池只是能量的載體，非得提前充電才能運行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰離子電池。但鋰已經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惟有純鋰電極，但能量密度其實也惟有汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術難度極大，幾十年內都無望沖破。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，即使達到也惟有燃料動力鋰電池的1/120，可謂輸在起跑線上。
體積能量密度比較
燃料動力鋰電池的原料氫氣緊要缺點就是體積能量密度不高，今朝基本上是采用加壓來處理這個問題。按照現行的700個大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，燃料動力鋰電池儲氫罐體積為100L，重量為30KG，對應汽油車油箱為30L，但電動機體積比內燃機小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，要輔助的安全保護設備，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，都遠高于燃料動力鋰電池。展望將來倘若儲氫合金和低溫液態(tài)儲氫技術能夠沖破，燃料動力鋰電池體積能量密度將分別新增1.5倍和2倍，優(yōu)點會更為分明。
功率密度比較
燃料動力鋰電池本質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，為了最大提高放電功率非得附加動力鋰離子電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個開放的動力系統(tǒng)，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不要考慮儲能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對電池壽命的要求也不高，在真切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。在洋溢電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，試驗室中的電池循環(huán)壽命也會縮短到惟有600次，真切工況下會進一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達310KW，但實際放電倍率也惟有4C。而且鋰離子電池作為能量密度不高的關閉儲能體系，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，其電池包件重量都接近半噸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
安全性比較
除了上述指標，安全性有關機動車來說無疑也非常關鍵。鋰離子電池作為關閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，否則就等同于炸彈。因此今朝主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達到500-600度時才開始分析，基本不要太多的保護輔助設備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250-350度就會分析，安全性差。其處理辦法是并聯了超過7000節(jié)電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險，即使如此也還要結合一套復雜的電池保護設備。并且前期發(fā)生的幾次事故，雖然得益于Telsa的安全設計并沒有出現人員傷亡，但就事故本身而言，其實都是非常輕微的碰撞，車身也沒有收到什么傷害，但電池卻著火了，也側面反映了其安全性上天然的劣勢。
燃料動力鋰電池由于原料氫氣易燃易爆，市場普遍擔心其安全性問題。但如我們下表的數據，相比汽油蒸汽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，甚至還略好。今朝車用儲氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞探測中都可以做到毫發(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。而汽油為液態(tài)，鋰離子電池為固態(tài)，很難在大氣中上升，燃燒都在車艙底部，整車會迅速著火報廢。氫氣儲運環(huán)節(jié)其實和LNG非常類似，只是所需壓力更大，隨著商業(yè)化推進，其整體安全性也還是可控的。
電池車的成本緊要分為整車成本、原料成本、配套成本。目前對燃料動力鋰電池詬病最多就是成本太高，但用發(fā)展的眼光看，隨著技術進步和商業(yè)化程度提高，其成本下降的空間很大。而鋰離子電池倘若考慮到電網端擴容的成本，其實綜合配套成本還高于燃料動力鋰電池，詳盡測算如下：
整車成本比較
鋰離子電池、燃料動力鋰電池和傳統(tǒng)汽油車，整車成本的差異緊要體今朝發(fā)動機成本，其他組件差異不大。2L汽油車發(fā)動機成本在3萬元左右，將來也很難有太大的變化?，F有鋰離子電池的度電成本為1200元/kWh，將來有望降至1000元/kWh，45度電動汽車，電池成本為4.5萬元。燃料動力鋰電池成本緊要是電池包和高壓儲氫罐，今朝100kw電池包成本為10萬元，預測年產50萬臺后，單位成本將降至30美元/KW，即2萬元?，F有儲氫罐成本為6萬元，將來有望降至3.5萬元，總成本為5.5萬元。長期看三種動力體系的成本相差不大，可見整車成本并不是核心問題。
原料成本比較
2L汽油車百公里耗油為10升，5.8元/L的汽油售價，成本為58元。鋰離子電池車百公里耗電量為17度，0.65元/度電成本，成本11元。燃料動力鋰電池百公里消耗氫氣9方，制氫方式緊要分為電解水或者化學反應，如煤制氫、天然氣制氫等。電解水成本緊要是電，均勻5度電1方氫氣，成本約為3.8元/方，但可以在加氫站筆直電解，省掉運輸費用。倘若采用化石能源大規(guī)模聚集加工，國內成本最低的是煤制氫氣，約為1.4元/方，北美則可利用廉價的天然氣，成本在0.9元/方。倘若我們以煤制氣成本作為標準，百公里原料成本12.6元，和鋰離子電池差別不大。
配套成本比較
加氫站、加油站、充電站成本緊要分為土地成本、設備成本、建設成本，差別緊要體今朝設備成本。加油站基本在300萬元，充電站為430萬元，加氫站以日本目前的標準預計為1500萬元，整體上加氫站成本要高1000萬元左右。按照15年折舊，每年銷氣量1000萬方，則折舊成本為0.1元/方。小規(guī)模時氫氣一般以槽罐車運輸，預計運費為0.44元/方，規(guī)模張大后則可采用管網運輸，成本會下降至0.23元/方。
雖然鋰離子電池現階段依托于現成的電網系統(tǒng)，配套成本很低。但倘若大規(guī)模推廣，現有電網的容量冗余基本都將被耗盡，將來非得要大規(guī)模擴容。因此充電站本質上是將配套成本外部化給了電網，因此計算其全產業(yè)鏈成本時還要添加電網端的成本。一般商業(yè)化運營的充電站至少都要達到1小時快充的標準，對應10個充電樁組成的充電站的功率都要達到600千瓦，相當于上百戶家庭的用電負荷，對電網負荷的沖擊極大。對應電網要新增投資120萬元來擴容負荷，但每年新增售電量惟有93萬度，按照0.65元/度購電成本，電網端15年收回投資測算，則售價要在成本基礎上新增0.18元/度。
銷售端成本測算
加油站的銷售網絡已經非常成熟，其每小時的利潤水平可以作為加注站合理回報的測算基準。對應加氫站每方價差為0.51元，鋰離子電池每度電則為4.9元。該電價情況下，鋰離子電池車基本無法推廣。目前國家規(guī)定充電站服務費上限為0.4元/度，但其背景是給予了大量補貼。但沒有任何產業(yè)可以長期依賴補貼來發(fā)展，將來倘若鋰離子電池的充電效率不顯著提升，在加注站這個環(huán)節(jié)，公司的盈利水平會大幅低于加油站和加氫站。沒有合理回報，在目前寸土寸金的大城市，投資者根本沒有任何激勵去推廣充電站，產業(yè)自然也無法發(fā)展。但鋰離子電池低能量密度過低，倘若強行實現高充電效率，電池循環(huán)壽命面對的工程挑戰(zhàn)就會非常巨大。而且即使能實現3分鐘快充，但對應單個充電樁的功率要高達1200千瓦，每個充電站都要配套一個110千伏變電站。其投資高達5000萬元，占地5000平米，且周圍300米還不能有居民樓，有關今朝沿海大城市在操作層面上挑戰(zhàn)也很大。
總計成本
綜合上述所有成本，汽油車、鋰離子電池車、現階段和充足商業(yè)化后燃料動力鋰電池車的百公里成本為58、83、23和20元。由于銷售價差占鋰離子電池成本比重很高，我們考慮到充電樁設備投資是加氫站的1/3，將其小時利潤降至1.4元，綜合成本也還有37元，燃料動力鋰電池車長期成本優(yōu)點依然非常分明。其實這所有的根源還在于燃料動力鋰電池能量密度最高，同等商業(yè)化情況下，成本自然具備優(yōu)點。
新能源車發(fā)展的一個緊要邏輯就是節(jié)能環(huán)保，這對我國無疑更為緊要。目前我國不但空氣污染嚴重，而且石油進口依存度高達60%，其中85%還要經過美國控制的馬六甲海峽，能源安全已成為我們國家安全的最大軟肋。因此國家給予新能源車巨額補貼，一個緊要原由就是為了緩解對石油的進口依存度。那么下文我們就從節(jié)能、環(huán)保和資源約束等方面對兩者進行比較，詳盡如下：
節(jié)能環(huán)保比較
燃料動力鋰電池原料氫氣在我國目前最經濟的手段是煤制氫，鋰離子電池的原料電力，在我國也緊要來自于煤炭發(fā)電。因此這兩者本質上能量都來自于煤炭，碳排放只不過是轉移給了上游，因此是不是節(jié)能，緊要就是看能量轉換效率。目前鋰離子電池車每百公里耗電17度，對應6.8公斤煤炭;燃料動力鋰電池每百公里耗氫9方，儲運環(huán)節(jié)損耗20%，對應煤炭為7.3公斤;汽油車每百公里耗油10L，碳排放相當于10公斤煤炭。其實新能源車的節(jié)能效果都不分明，其核心價值還是在于將一次能源消耗從石油轉化為我國儲量豐富的煤炭，緩解了能源安全問題。而從環(huán)?？?，燃料動力鋰電池幾乎沒有尾氣排放，鋰離子電池也惟有少量排放，全產業(yè)的污染緊要聚集在上游。但比起解決分散的汽油車尾氣排放，上游的聚集治污無疑難度要小很多。綜合而言，燃料動力鋰電池全產業(yè)鏈的污染最低，基本可以認為是最佳的綠色車用能源。
資源約束比較
燃料動力鋰電池的催化劑要用到貴金屬鉑，市場普遍擔心其資源約束。2015年鉑全球總需求為270噸，緊要下游為汽車尾氣清潔催化劑、首飾、工業(yè)，占比為44%、34%、22%。Mirai單車鉑消耗量約為20g，比汽油車消耗要高10-15g。假設燃料動力鋰電池車占全球5%的年產量，年均消費增量為56噸左右，看似沖擊很大。但是同樣假設下，鋰資源的年均消費增量為8萬噸，對應每年4萬噸的產量其實沖擊更大，這已經從今年的鋰礦石價格暴漲得到側面證明。而且豐田中期優(yōu)化目標為鉑單耗降低75%，并實現催化劑的鉑回收。上述任何一個目標實現，鉑資源約束基本就得到處理。
商業(yè)化程度比較
從商業(yè)化程度上看，燃料動力鋰電池和鋰離子電池車大體差了5年，今朝還處于商業(yè)化的前夕，預計爆發(fā)點在2020年左右。目前全球技術領先的國家為日本和美國，尤其是日本在乘用車范疇幾乎是一枝獨秀，2015年量產的Mirai基本達到了商業(yè)化的入門標準。相比之下，我國在燃料動力鋰電池產業(yè)化范疇就建樹寥寥，惟有北汽福田和上汽為08年奧運會和10年世博會加工過燃料動力鋰電池大客車，還停留在技術示范階段。但我國的優(yōu)點是經濟體量大，隨著燃料動力鋰電池技術的成熟，具備快速追趕的能力。
上一篇：有關鋰離子電池的幾個知識解析
