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而这项专利所描述的事实上就是固态电池

一条“充电1分钟,续航800公里”的新闻,把我们的视线拉到了固态电池之上。似乎固态电池一下子成了促使电动汽车取得飞跃的法宝。虽然细究一下,不难发现这条由菲斯克公司所披露的消息仍然有很多值得商榷之处,但至少说明固态电池正在成为电池发展新的方向。

另一方面,已经说了很多年的燃料电池汽车近年来也随着日韩车企相继投产而成为关注的焦点。固态电池和燃料电池,究竟谁才是未来新能源汽车的方向?各自又会遇到怎样的困难呢?

“灵活的、优越的能量密度固态电池”,美国电动汽车制造商菲斯克的这项专利,号称将电动汽车的续航能力提高到804公里,充电时间则缩短到1分钟。而这项专利所描述的事实上就是固态电池。

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我们不妨用初中物理知识来简单计算一下。按照目前电动汽车较为优秀的10kWh/100km能耗水平计算,804公里需要耗能80.4kWh,那么1分钟充满那么多电,充电功率将达到将近5000kW。

5000kW是什么概念?几乎是一个中型发电站的功率。因此,菲斯克的这个专利仅仅是针对单节固态电池的实验室数据。在现实情况下,考虑到电池组的集成和电网的承受能力,所谓的“充电1分钟,续航800公里”只能是一个宣传的噱头。

不过,固态电池确实是目前车用动力电池取得能量密度突破的重要方向。而另一个发展方向燃料电池汽车,近年来也在如火如荼地前进。君不见,当特斯拉和丰田在相互嘲讽对方的技术路线时,就意味着这里一定大有文章可讲。

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▎固态电池:能让纯电动汽车实现大规模商业化的突破口

每一次电池性能的显著提升,本质上都是电池材料体系的重大变革。因为每一类电池材料体系都有其能量密度的上限。

从第一代的镍氢电池和锰酸锂电池,第二代的磷酸铁锂电池,到目前广为采用并预计持续到2020年左右的第三代三元电池,能量密度和成本分别呈现出阶梯式上升和下降的明显趋势。因此,下一代动力电池选用何种电池体系,对于实现2025年左右的电池目标至关重要。

目前的磷酸铁锂电池,单体能量密度大致在120-140Wh/kg,规模化的三元电池单体能量密度可以达到130-220Wh/kg,实验室里的三元电池则可以达到300Wh/kg。

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但受制于现有体系架构和关键正极材料影响,现有体系的锂离子电池能量密度基本上很难突破300Wh/kg,很难满足未来动力电池的需求。想要达到2025年单体电池能量密度400Wh/kg、2030年500Wh/kg的水平,新兴电池技术研发及产业化迫在眉睫,那意味着电动汽车的续航里程相比现在将翻一番。

目前商用的锂离子电池,主要问题在于使用液态/胶状电解质,电化学窗口有限,难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料,从而使能量密度上升存在瓶颈。而在安全层面,这样的架构还会造成短路引燃、离子浓度差增大电池内阻、电极材料持续消耗等问题。

而固态电池进入视野,正因为它具有高的离子电导率和机械强度、宽的电化学稳定窗口和工作温度区间,能够实现高能量密度、高功率密度和高安全。

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固态电解质比有机电解液具有更宽的电化学窗口,有利于进一步拓宽电池的电压范围,并且因为不存在浓差极化而可以工作在大电流条件,从而提升电池能量密度。同时固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题、无需隔膜隔开正负极、阻止锂枝晶的生长,从根本上避免了电池的短路现象,能够应用更多的负极材料。

此外,在集成进电动汽车时,固态电池还具有结构紧凑、规模可调、设计弹性大等利于整车集成的特点。

这样看来,固态电池是不是就完美了呢?事实上远非如此。目前具有潜力的固态电解质材料可以分为聚合物、硫化物和氧化物,然而不同的材质与不同的排列组合化学性能差异很大,有的充电速度快,有的能量密度高,各有所长又各有所短,很难做到一种材料解决所有的问题。

同时化学性质不够稳定、制备工艺不完善等问题的真实存在也让固态电池还有相当长的路要走。

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固态电池产业化的实现从根本上还是取决于材料工艺层面的突破,目前有关固态电池的专利远超其它类型电池的综合。高能量密度全固态电池的产业化应用,预计将耗时5-10年时间。部分先进企业会在2020年小批量生产固态电池,而真正大面积量产预计会在2025年左右。

▎燃料电池:如何实现可以盈利的商业模式是普及关键

理论上来说,氢拥有比电和油高得多的能量密度,当然这是指利用氢气发电而非直接燃烧氢气。而且一次加氢只需要几分钟,续驶里程达到500-700km,在使用过程中只排放水,没有其它任何废气,是完全的零排放。

然而看起来无比美好的燃料电池汽车要真正大规模商业化普及,有三个关键问题需要解决:燃料电池的寿命、燃料电池的成本、氢气的成本。概括起来就是要有一套能够使产业链上各个环节都能够实现盈利的商业模式。

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当下,如果不依赖于政府补贴,燃料电池汽车仍然处于“天价”状态。刚刚在广州车展上市的大通FCV80官方指导价达到130万元,在扣除国家50万补贴和地方50万补贴之后还需要花费30万去购买这辆轻客,对燃料电池汽车而言这显然是不可持续的发展。

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除了一般性的研发投入外,催化剂中贵金属铂的用量是重要的因素。即使目前技术进步,但对铂的用量仍然达到0.3-0.5g/kW的水平。于是一台100kW的燃料电池系统就需要约30-50g的铂,大家参考下市面上铂金首饰的价格,就大概可以对这块成本有概念了。

另一方面,燃料电池系统中如双极板、空气压缩机、直流升压元件等若干关键零部件,国内研发生产企业均较少,很大程度上都要依赖于进口,也是国产燃料电池汽车成本居高不下的原因。

这是车的成本,氢燃料的成本同样是很大的问题。氢气制取的方法主要有电解水制氢和工业副产氢两种,前者的成本可以达到后者的3倍以上。然而因为燃料电池对于氢气纯度有着极高的要求,在小批量示范运行期间国内还是以电解氢为主。

上海世博会期间,燃料电池汽车加氢的成本是70元/kg,按这个价格单位里程的燃料成本甚至高于传统燃油车。

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如果可以使用副产氢等可再生能源化氢,每千克的氢气价格将在20-30元左右,对于轿车而言,每千克氢气可以运行超过一百公里,同级别燃油车型运行百公里则需要耗费约8升油,按照目前的油价约需要50-60元。

此时,燃料电池汽车的使用成本仅为传统燃油汽车的一半左右。当然,工业副产氢的分离提纯、配送机制都是需要深入研究并不断完善的。

此外,氢气的存储同样是燃料电池汽车普及的关键因素。为了获得更高的能量密度,氢气往往要冷却至-253℃以下变成液态存储,这不仅对储氢容器的隔热性能要求很高,而且液化氢气也要消耗较多的能量,大约占氢能的1/3,这会大大降低车载氢能源的整体利用效能。

而在氢气加注过程中,则必须要采取额外的降温措施控制气瓶的温升,这个温度一般要低至-40℃。可想而知,这个加注的过程,需要耗费多少额外的能源实现温控。

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不管哪种制氢方式、哪种存储方式、哪种运输方式,氢能源的生态系统都是需要重新建立的,涉及大量基础设施的投入与建设。

目前,国内投入运营的加氢站只有6个。根据国家“十三五”规划,到2020年中国要建成100座加氢站,然而这只是德国和日本目前的水平。而且加氢站的建设成本超过千万,达到充电站的近10倍,且中间环节的繁杂让加氢站的建设难度与周期要远超过充电站。

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▎固态电池还是燃料电池:电池材料体系和氢能生态谁能率先解决?

谁能代表新能源汽车的未来?至少目前来看并没有明确的答案。一边是电池材料体系迫切需要提升,以换取更高的能量密度;另一边是氢能源的生态系统迫切需要建立,以让燃料电池汽车可以走上商业模式正轨。

显然,两个限制各自发展的问题短时间内都无法得到很好的解决。这也是为什么两方阵营里都有着强大的成员在坚持自己的技术路线。

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短期之内,纯电动汽车肯定会早于燃料电池率先产业化和普及。从动力系统的完成度来看,纯电动汽车已经可以实现商业化,而燃料电池汽车尚需时日。毕竟,当丰田Mirai初期投入生产时,每天3辆的产能根本难以称得上是真正的量产,即使到2020今年丰田的规划年产能也只有3万辆。

从基础设施的建设来看,充电基础设施在国内的建设,尤其是一二线城市的建设已经初具规模,绝大部分的电动汽车用户已经不再为充不上电而担忧。反观加氢站的建设,技术与成本的限制仍然是巨大的挑战。

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但不可否认,燃料电池汽车巨大的潜力还没有得到开发,当下种种产业链上的问题不能抹杀氢能生态系统的优越性,这也是为什么业内普遍将燃料电池汽车视作汽车“共产主义”的原因。

只是从目前来看,无论是技术成熟度、消费者认可度、推广可行度还是政策的导向,造更高续驶里程的纯电动汽车将会成为未来5-10年车企们共同的选择。