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、運行監(jiān)測協(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回答道，“我們認為氫燃料電池汽車將與純電動汽車長期并存互補，共同滿足交通運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汽車都是新能源汽車的重要技術(shù)路線。從技術(shù)特點及發(fā)展趨勢看，純電動汽車更適用于城市、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)化進程明顯要晚于純電動汽車。

黃利斌認為，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)也相對滯后。氫燃料電池汽車的發(fā)展不僅是一個技術(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、標準、法規(guī)的不斷優(yōu)化完善，某種程度上比電動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，大力推進我國氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。同時，工信部還將通過以下措施進一步推動新能源汽車高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

一是堅持創(chuàng)新驅(qū)動，完善以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學研相結(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)品升級換代步伐，提升產(chǎn)品市場競爭力。

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。

三是完善扶持政策，實施《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化發(fā)展的長效機制，引導(dǎo)地方財政補貼從鼓勵購買向支持充電設(shè)施建設(shè)、補貼充電服務(wù)費等使用環(huán)節(jié)過渡。

四是健全體制機制，完善新能源汽車監(jiān)管信息平臺，建立健全安全檢查制度、消防救援體系、安全事故調(diào)查處理機制等，提高新能源汽車的安全運行水平。預(yù)計今年新能源汽車產(chǎn)量可能會超過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步。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)順利推進，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》的實施，標志著我國新能源汽車市場化發(fā)展的長效機制在不斷完善。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，我國新能源汽車的市場結(jié)構(gòu)也在逐步優(yōu)化，在乘用車銷售中的占比進一步提高，個人消費市場也在快速興起。

在黃利斌看來，上個月對新能源財政補貼政策做出的調(diào)整，是基于2020年以后補貼政策全面退出，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)揮補貼政策的基礎(chǔ)性、導(dǎo)向型作用，促進產(chǎn)業(yè)優(yōu)勝劣汰，防止市場出現(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，都是負極材料被正極材料氧化時，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？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，能量密度也高達鋰離子二次電池的5倍左右，因此可以使用很長時間。即使初始容量耗盡，也不會是一次性的。原因是正極材料（氧氣）在空氣中存在且不會消失。負極材料（氫）也是氣體，當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，它又會變回水。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，這一次是真的要來到了嗎？

最近，各種技術(shù)的發(fā)展和社會環(huán)境的變化顯示時機有到來的趨勢。例如：

輸出密度比20年前提高了3倍以上。

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

目前普遍使用城市燃氣和甲醇作為燃料，但是存在氫轉(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，實際上是半EV產(chǎn)品的形態(tài)。所以經(jīng)濟合理性對于推廣才是最重要的，目前可預(yù)見的趨勢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，無人機等）引入，其中續(xù)航里程和稼動率很重要。如果未來自動駕駛普及的話，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，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，但海外也在猛烈追趕。在市場開拓和發(fā)展氫氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施等方面，不如說海外現(xiàn)在的進展更快。美國Amazon和Walmart已經(jīng)共計導(dǎo)入了約2萬臺燃料電池（FC）叉車。日本早期布局很早，但中間睡覺了，猛然覺醒的當下，有點睡過頭的兔子的狀態(tài)。

七、與LIB電池將保持互補的關(guān)系

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

（1）高能量密度，

（2）燃料（充電）時間短，

（3）大容量化時低成本。

FC電池與LIB電池不是競爭而是互補關(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的負荷跟隨性和電力利用效率低。雖然容量增加可以實現(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，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卡車時的差異（a）。EV卡車的速度通常相對較快，但巡航距離較短。此外，現(xiàn)有充電設(shè)施需要超過3個半小時才能充滿電。充電時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，充電機會多且電力利用效率更高得EV是有利的，另一方面重型應(yīng)用與無人機等電池的重能量密度很重要的應(yīng)用，以及24小時駕駛的自動駕駛出租車等應(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)用于自動駕駛車輛在氫站充氫時不需要人員介入的充氫機器人動向（b）。

九、LIB電池彌補FC電池的弱點

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

（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。這是因為FC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二次電池重量能量密度低。同時因為運輸電池本身也會消耗電量，如果通過加大電池數(shù)量來提高續(xù)航里程效率反而會急劇下降（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輸電池本身，實際效率將低于FCV車型。無人駕駛飛機應(yīng)用上這一邏輯更加明顯。

許多FCV車型實際是二次電池和FC電池的混合動力型

根據(jù)馬力和續(xù)航里程對目前市面已經(jīng)發(fā)布的EV和FCV進行了分類，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)進行驅(qū)動。

十一、單獨的DRAM，或單獨的HDD都無法獨自驅(qū)動

順便提一下，LIB和FC在內(nèi)的存儲能源技術(shù)之間的關(guān)系非常類似于計算機存儲器中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電池類似于存儲器中HDD或是磁帶的定位

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

LIB作為能量儲存技術(shù)在相對短時間內(nèi)充放電用途上由于高效率等優(yōu)勢實用價值高，但用于大規(guī)模或長期存儲的目的則成本太高。與之相反，F(xiàn)C電池在長時間內(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手段。如果LIB和FC互相補充對方的弱點，則在一些目前各自單獨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)了將上述觀點細化研究形成的論文，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，英國帝國理工學院的研究人員展示了9種儲能技術(shù)的最低利用成本的應(yīng)用及這些技術(shù)隨時間的變化，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技術(shù)

英國帝國理工學院（a）研究人員所展示的放電頻率和放電時間成本競爭力最高的技術(shù)。對九種技術(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，風車，雙電層電容器）從2015年到2050年的成本變遷進行了比較。色密度越高，成本競爭力越高?？v軸的放電時間與功率容量和備用容量等高相關(guān)，這意味著，只要放電時間越長，放電頻率越?。ㄗ笊蠀^(qū)域）就越適合大容量的電量儲存。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將變成新的兩大儲能技術(shù)（b）。

根據(jù)這一推測，成本競爭力強的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年重點放在放電是否超過1小時，但到了2040年后LIB價格大幅下降，甚至到放電需要12小時的一些用途上，LIB都能體現(xiàn)出成本優(yōu)勢。

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計劃在2020財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720兆瓦時的LIB電池。在考慮LIB的成本時，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。鑒于上述論文，考慮到2015年后LIB的價格下跌，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，則需要5.76 GWh（5760 MWh）的容量，目前來說是不現(xiàn)實的。

另一方面，在更長充放電時間的使用用途上，F(xiàn)C/氫技術(shù)也逐漸侵蝕當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)。事實上，在英國，氫被用作儲存數(shù)月電力的一種儲存技術(shù)已經(jīng)在使用。

十四、在LIB和FC /氫氣時代的兩大技術(shù)

順便說一下，抽水蓄能發(fā)電是一個非常大的儲能系統(tǒng)，使用兩個水壩，其環(huán)境負擔很高，因此未來很難增加建設(shè)。車載應(yīng)用肯定是無法實現(xiàn)，并且其他可用的場景也是有限的。如果將抽水蓄能和空氣壓縮從上面的選擇項中去除，則到了2030年能夠留下來的就是LIB和FC /氫，以及風車發(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)時代將至少持續(xù)數(shù)十年。