我國油氣資源匱乏，大幅度以來國外進口。為了保證國家能源安全，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。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，預(yù)判未來應(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)電池開始，分析目前固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程，及其技術(shù)優(yōu)劣勢。

1、固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化只差臨門一腳，但續(xù)航改善有限

近一年多，臺灣輝能開始與各大主機廠進行合作，測試電池包，這在氧化物固態(tài)電池領(lǐng)域具有標志意義。在10月22日東京車展上，豐田汽車CTO寺師茂樹也表示，2020年東京奧運會示范運營固態(tài)電池汽車，2025年左右可以大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池汽車。以這些信息來看，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)進展。通過論壇信息，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電解液的半固態(tài)電池。添加少量有機電解液，可以大幅改善界面接觸問題，使得電池性能幾乎達到液態(tài)電池水平，同時在安全性、高低溫性能、散熱等方面還具有明顯優(yōu)勢。這種半固態(tài)電池解決了目前液態(tài)鋰電池安全問題，但沒有解決能量密度問題。由于負極不能采用金屬鋰，其能量密度將不會有領(lǐng)先優(yōu)勢。

表1 主要鋰電池技術(shù)路線特征

來源：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)電池成本會大幅下降，但與液態(tài)電池相比，可能仍然會處于劣勢?？傮w來看，半固態(tài)電池核心優(yōu)勢是安全性，中短期（3-5年）內(nèi)，成本仍然處于較大劣勢地位。

圖1 匯能固態(tài)電池

輝能也意識到半固態(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發(fā)當中。全固態(tài)電池由于不添加有機電解液，其界面接觸問題需要通過其他手段來解決，目前仍然沒有較好的解決方案。為了提高固態(tài)電池能量密度，金屬鋰負極非常合適的解決途徑，但金屬鋰負極技術(shù)及相關(guān)界面問題是非常大挑戰(zhàn)。雖然輝能朝固態(tài)電池邁進了“半步”，但實現(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 來源：氫云鏈

3、豐田全固態(tài)電池可實現(xiàn)小批量生產(chǎn)能力

早在2014年，豐田就透漏2025年左右要實現(xiàn)固態(tài)電池汽車量產(chǎn)。近日，豐田執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官寺島茂樹(Shigeki Terashi)在東京車展前夕透露，豐田將在2020年東京奧運會期間推出一款搭載固態(tài)電池技術(shù)的新能源車，該款車預(yù)計作為東京奧運會和殘奧會上運動員及后期保障人員的出行巴士。

圖3 豐田固態(tài)電池樣車

根據(jù)公開技術(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，負極采用石墨。關(guān)鍵生產(chǎn)工藝采用卷到卷方式進行，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，這使豐田未來實現(xiàn)金屬鋰負極、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，在能量密度方面不具備優(yōu)勢。由于無法獲取生產(chǎn)良品率，無法判斷其成本與輝能差異，且目前談成本仍然為時尚早。在未來技術(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)勢基本相當，能量密度問題仍然無法完全解決。

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、能量密度問題的。

輝能和豐田方案領(lǐng)先一步，提高了安全性，且實現(xiàn)低成本具有可行性（仍然需大規(guī)模生產(chǎn)驗證）。未來通過高電壓、金屬鋰，可進一步解決能量密度問題。豐田固態(tài)電池從目前的材料體系延伸到未來的高電壓正極、金屬鋰負極材料，在工藝及材料體系方面更具有兼容性，因此其實現(xiàn)高能量密度固態(tài)電池量產(chǎn)可能會具有一定先發(fā)優(yōu)勢。

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)鋰電池或可實現(xiàn)原型開發(fā)及小批量生產(chǎn)。固態(tài)電池未來能否取代液態(tài)電池，首要決定因素是成本差異，其次才是安全性。筆者認為固態(tài)電池有希望把成本做到具有與液態(tài)電池相當水平，但“好事多磨”，存在很多不確定因素。

圖5 不同種類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)勢及發(fā)展困境。自2014年底豐田推出第一代氫燃料電池以來，全球氫燃料電池汽車保有量已經(jīng)突破萬臺，預(yù)計2020年底保有量突破兩萬臺，市場將由導(dǎo)入期慢慢轉(zhuǎn)入成長期。超長續(xù)航能力及環(huán)保性成為了氫燃料電池汽車最閃亮標簽。全球各地政府也在加大對政策扶持力度，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，希望推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期總會碰到各種各樣問題，2019年可以稱為氫燃料電池汽車發(fā)展早期的質(zhì)疑階段（早期動力電池也遭到嚴重質(zhì)疑，起火爆炸、成本高......）。2019年以來多起氫氣爆炸事件，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)外對氫氣安全性充滿質(zhì)疑，同時加氫站建設(shè)投入高，氫氣使用成本高，對氫燃料電池未來經(jīng)濟性也充滿了擔(dān)憂。筆者認為氫燃料電池安全性是技術(shù)問題，技術(shù)特征和使用成本才是市場定位的基準。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交通領(lǐng)域定位，供各位參考。

5、成本為王，短途、輕載場景鋰電更優(yōu)優(yōu)勢

采用煤制氫是目前成本最低氫氣制造方案，有機構(gòu)測算氫氣生產(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，暫未考慮氫氣儲運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。因此筆者認為在很長一段時間內(nèi)，氫燃料電池汽車使用成本將大幅高于電動汽車使用成本。鋰電池車輛更具有優(yōu)勢，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)航里程對比

6、超長續(xù)航，長途、重載場景氫燃料電池優(yōu)勢明顯

氫燃料電池由于能量密度高，長續(xù)航優(yōu)勢明顯，可以運用于大載荷場景，如大型遠洋船舶、重型長途車輛，而動力電池是難以勝任這些應(yīng)用場景的。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、重載車輛領(lǐng)域的應(yīng)用嘗試，筆者認為氫燃料電池在這些領(lǐng)域應(yīng)用更具有優(yōu)勢。而固態(tài)電池延續(xù)了液態(tài)鋰電池優(yōu)點，同時在一定程度上彌補了其續(xù)航里程（能量密度）不足問題，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)域是相互補充的，比如在電網(wǎng)儲能領(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主要采用技術(shù)路線。能源領(lǐng)域從來都是受到政府管制的，未來不排除政府通過稅收及相關(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。筆者認為不能單純否定某一種技術(shù)，二者具有非常好的互補性，協(xié)調(diào)二者發(fā)展才能更好促進新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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