新能源汽車動(dòng)力源探討: 鋰離子電池VS燃料電池(一）

時(shí)間:2016-04-08 14:01來源:微頭條娛樂 作者:西顧
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        汽車是近些年在國內(nèi)發(fā)展起來的新興產(chǎn)業(yè)，2009年元月科技部、財(cái)政部、發(fā)改委、工信部聯(lián)合啟動(dòng)了“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”，標(biāo)志著新能源汽車產(chǎn)業(yè)正式上升為國家戰(zhàn)略。2012年，國務(wù)院出臺(tái)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，規(guī)劃對節(jié)能車、新能源車進(jìn)行了定義，并確定了實(shí)現(xiàn)的路徑與目標(biāo)。該規(guī)劃明確了我國新能源汽車的發(fā)展將以鋰離子電池純電動(dòng)汽車（LIB-EV）為主要方向。最近幾年，鋰離子電池純電動(dòng)汽車在我國已經(jīng)成為新能源汽車的主流路線，當(dāng)前我國的純電動(dòng)汽車絕大多數(shù)采用的是磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。
 
　　而作為全球電動(dòng)汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)頭羊的日本，在電動(dòng)汽車技術(shù)路線上與我國并不一致。2014年12月，全球第一大汽車公司豐田汽車（Toyota）正式推出了全球首款量產(chǎn)型燃料電池電動(dòng)汽車Mirai，這款車在日本的售價(jià)為723.6萬日元（折合人民幣38.3萬元，補(bǔ)貼售價(jià)為27.5萬元）。緊跟其后，本田汽車（Honda）也在2015年下半年發(fā)布了其即將在2016年量產(chǎn)的新一代燃料電池汽車FCVClarity。其實(shí)早在2014年5月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省就發(fā)布了《氫燃料電池車普及促進(jìn)策略》，從而制定了日本國內(nèi)氫燃料電池車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在此之后，日本政府在《實(shí)現(xiàn)氫社會(huì)政策建言》的議案中，提出了具體的氫燃料電池車普及目標(biāo)及政策支持方案。此外，日本日產(chǎn)（Nissan）、韓國現(xiàn)代汽車（Hyundai）、美國通用汽車（GM）、德國寶馬（BMW）和大眾（VW）也都在2014/15年相繼發(fā)布了各自的燃料電池電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃。
 
　　我們可以看到，中國與日本（實(shí)際上也包括韓國和歐美主流車企）在純電動(dòng)汽車發(fā)展方向上選擇了不同的技術(shù)路線。去年年底Mirai燃料電池電動(dòng)汽車量產(chǎn)的消息，在國內(nèi)電動(dòng)汽車界引發(fā)了激烈的討論并且形成了兩種觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為日本汽車界在純電動(dòng)汽車上走燃料電池路線是錯(cuò)誤（路線錯(cuò)誤論），例子就是當(dāng)前國際上火熱的美國Tesla純電動(dòng)汽車。而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，日本發(fā)展燃料電池汽車更多的是為了其軍工產(chǎn)業(yè)服務(wù)，并且誤導(dǎo)中國電動(dòng)汽車發(fā)展方向（陰謀論）。
 
　　這些不同觀點(diǎn)暫且放下，面對Mirai燃料電池汽車小批量商業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)，我們當(dāng)下首先需要認(rèn)真思考的是為什么中國和日本在發(fā)展純電動(dòng)汽車方面選擇了不同的技術(shù)路線？或者說鋰離子電池和燃料電池到底哪種動(dòng)力系統(tǒng)更加合適純電動(dòng)汽車？不管是鋰離子電池（Li-ionbattery，LIB）還是質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC），都是非常專業(yè)高深的高科技領(lǐng)域，涉及到多學(xué)科的綜合。筆者對這兩種化學(xué)電源體系都有相當(dāng)?shù)牧私�，本文中筆者將拋開深?yuàn)W的電化學(xué)、固體化學(xué)以及電催化方面的科學(xué)原理，站在宏觀的角度深入淺出地從多個(gè)方面對這兩種化學(xué)電源體系進(jìn)行分析比較，希望能夠在純電動(dòng)汽車動(dòng)力源的問題上給廣大讀者提供一些不同的視野和角度。
 
　　對這兩種動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行比較分析之前，我們首先要認(rèn)識(shí)LIB和PEMFC最本質(zhì)的特征，這樣才能認(rèn)識(shí)這兩種化學(xué)電源各自的適用領(lǐng)域。從根本上而言，二次電池是一種能量存儲(chǔ)裝置，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。衡量二次電池存儲(chǔ)電能能力的基本指標(biāo)是能量密度（Wh/Kg或者Wh/L）。而燃料電池則是一種電能生產(chǎn)裝置，它通過電催化反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來。雖然燃料電池也叫“電池”（中文翻譯的原因），但是它的基本工作方式卻與內(nèi)燃機(jī)比較相似，跟常規(guī)二次電池有著本質(zhì)上的區(qū)別。衡量燃料電池電能生產(chǎn)能力的基本指標(biāo)是功率密度（W/Kg或者W/L）。這兩種電化學(xué)電源體系工作方式上的本質(zhì)不同，將直接決定它們在應(yīng)用層面上的不同定位，筆者在后面將會(huì)詳細(xì)討論。
 
　　1.鋰離子電池和燃料電池的研究與發(fā)展歷程
 
　　在比較分析鋰離子電池（LIB）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在純電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景之前，我們有必要簡單回顧一下兩者的發(fā)展歷程，這樣讀者就可以對兩者有更加直觀的認(rèn)識(shí)。如果我們仔細(xì)分析過去20年里，歐盟（EU）和美國能源部（DOE）在鋰電和燃料電池領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)政策方面的變化，就可以很清楚地看到，鋰電和燃料電池其實(shí)是一對不折不扣的“歡喜冤家”。
 
　　其實(shí)在十九世紀(jì)末期，汽車最早就是從電池車發(fā)展起來的，鉛酸電池車的產(chǎn)量在二十世紀(jì)初期達(dá)到了頂峰。但是，隨著1908年福特創(chuàng)新性地采用流水線批量生產(chǎn)T型車（大幅降低成本），以及1912年汽油車電打火啟動(dòng)的出現(xiàn)（使用更加便捷），則對鉛酸電池車造成了致命打擊，電動(dòng)車從此退出了歷史舞臺(tái)。直到上世紀(jì)末由于高能化學(xué)電源（二次電池和燃料電池）的技術(shù)進(jìn)步，電動(dòng)汽車才再度引起重視。
 
       國際上第一輪燃料電池的研究熱潮發(fā)生在上世紀(jì)七十年代，由于美國航天事業(yè)的需求而帶動(dòng)了堿性燃料電池(AFC)的實(shí)用化，后來GM還制造出了全球首輛AFC燃料電池汽車。由于AFC必須使用純氧而不能直接利用空氣，使得AFC無法應(yīng)用于民用領(lǐng)域，但是AFC很多技術(shù)后來被移植到了PEMFC上。上世紀(jì)七十年代由于阿以戰(zhàn)爭導(dǎo)致了兩次國際石油危機(jī)，不僅對全球政治、經(jīng)濟(jì)格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而且也促使西方國家深刻地認(rèn)識(shí)到尋找新型能源的重要性，從而對新型高能化學(xué)電源的研究產(chǎn)生了前所未有的巨大推動(dòng)。正是這一時(shí)期，人們在有機(jī)電解質(zhì)、固體電極材料、質(zhì)子交換膜、電極過程動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)研究方面取得了很大的進(jìn)展，鈉硫電池和鋰離子電池正是在這個(gè)時(shí)期構(gòu)建了基本原理。
 
　　得益于上世紀(jì)八十年代在過渡金屬氧化物、石墨嵌鋰化合物以及有機(jī)電解質(zhì)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，日本SONY公司在1991年首次將鋰離子電池成功地商業(yè)化。最初的鋰離子電池由于采用熱解聚糠醛硬碳負(fù)極能量密度并不高，自從日本大阪煤氣公司在1994年產(chǎn)業(yè)化MCMB之后，鋰離子電池的性能獲得了較大的提升得以迅速占領(lǐng)手機(jī)電池市場而飛速發(fā)展起來，上世紀(jì)末在全球范圍內(nèi)掀起了第一波鋰電產(chǎn)業(yè)化浪潮。與此對應(yīng)的是從1995年到2002年國際上第一輪鋰電基礎(chǔ)研究熱潮。鋰離子動(dòng)力電池的研發(fā)也在本世紀(jì)初開始嶄露頭角（以法國SAFT為代表），不過當(dāng)時(shí)并沒有在全球范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。
 
　　美國克林頓政府在1996年拉開了“氫經(jīng)濟(jì)”（氫能和燃料電池）的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化的序幕，歐盟緊跟其后。在小布什總統(tǒng)當(dāng)政的8年時(shí)間里，“氫經(jīng)濟(jì)”的研究在西方發(fā)達(dá)國家尤其是美國達(dá)到了巔峰狀態(tài)，而與此對應(yīng)的正是鋰離子電池的基礎(chǔ)研究從2002年開始到2007年的這6年里陷入了低谷，當(dāng)然鋰電的產(chǎn)業(yè)化還是在快速發(fā)展的。第二輪燃料電池研究/產(chǎn)業(yè)化浪潮在2007年以后逐漸降溫，具體情況筆者在后面章節(jié)將會(huì)詳細(xì)討論。自從2008年奧巴馬當(dāng)選美國總統(tǒng)以后，美國政府在電動(dòng)汽車的戰(zhàn)略方向就從氫能和燃料電池轉(zhuǎn)向了鋰離子電池，也就是當(dāng)前國際上的第二輪鋰電研究和產(chǎn)業(yè)化熱潮。這個(gè)轉(zhuǎn)變并非DOE心甘情愿，其背后的主要原因是氫氣的工業(yè)化生產(chǎn)和存儲(chǔ)以及燃料電池在技術(shù)、成本、壽命等方面還存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，這些難題嚴(yán)重阻礙了燃料電池電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
 
　　日本的新能源研究和產(chǎn)業(yè)化政策主要由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）負(fù)責(zé)制訂，與歐美在鋰電和燃料電池兩個(gè)領(lǐng)域“過山車”不大一樣的是，日本過去數(shù)十年里在這兩個(gè)領(lǐng)域支持力度相差并不大，這主要是因?yàn)槿毡驹谶@兩個(gè)領(lǐng)域都處在全球產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)先地位，而歐美的鋰電產(chǎn)業(yè)一直都沒發(fā)展起來。
 
　　如果我們仔細(xì)研讀DOE近幾年在鋰電方面的年度報(bào)告（BATT和ABR項(xiàng)目）、歐盟ALISTORE項(xiàng)目以及日本NEDO鋰電相關(guān)項(xiàng)目就可以看到，與上世紀(jì)末成果豐碩的第一輪鋰電研究熱潮相比，這一輪的鋰電基礎(chǔ)研究基本上沒有取得任何突破性進(jìn)展，反倒是具有明顯的學(xué)術(shù)“泡沫化”特征（表現(xiàn)在“納米鋰電”和磷酸鐵鋰兩大方面），DOE下一階段在高能電化學(xué)電源領(lǐng)域改變資助方向?qū)⑹沁t早的事情。而事實(shí)上，美國DOE的技術(shù)路線和發(fā)展目標(biāo)一直是我國科技部和工信部制訂新能源汽車方面科研和產(chǎn)業(yè)化政策的基本參考依據(jù)。那么，DOE下一輪關(guān)于新型高能化學(xué)電源的研究和產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)移到什么領(lǐng)域？讓我們拭目以待。
 
　　其實(shí)，了解化學(xué)電源發(fā)展歷史的讀者都應(yīng)該明白，二次電池和燃料電池在過去的幾十年里都沒有真正“冷”過，只是重視的程度不同罷了。它們都是幾經(jīng)沉浮，你方唱罷我方登場，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)就是這么螺旋似地發(fā)展起來的。
 
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  • 搶奪汽車下一個(gè)制高點(diǎn)：無人駕駛時(shí)代五年內(nèi)到來？

    1月14日，中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇在北京召開，其中無人駕駛汽車成為一大議題。目前無人駕駛汽車的發(fā)展還處在初級階段，雖然各國在無人駕駛技術(shù)的發(fā)展路線上有所區(qū)別，但對技術(shù)的最終目標(biāo)的定義基本一致。 當(dāng)天，科技部部長萬鋼表示：近幾年來，世界各國都在高
    2017-01-17 17:37

  • 財(cái)政部：新能源車配套補(bǔ)貼細(xì)則不能保護(hù)落后

    新的財(cái)政補(bǔ)貼政策明確，在保持2016年至2020年補(bǔ)貼政策總體穩(wěn)定的前提下，調(diào)整完善補(bǔ)貼方法，改進(jìn)資金撥付方式，提高生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入門檻，建立健全監(jiān)管體系。 去年12月底，業(yè)界翹首以盼的新能源汽車補(bǔ)貼新政終于落地。1月14日，財(cái)政部經(jīng)濟(jì)建設(shè)司副司長宋秋
    2017-01-16 10:34
本月熱點(diǎn)

  • 注冊資本近1.15億元！兩巨頭成立電池回收企業(yè)

    近日，廣州優(yōu)美再生技術(shù)有限公司（以下簡稱廣州優(yōu)美）正式成立，公司由優(yōu)湃能源科技（廣州）有限公司與格林美集團(tuán)下屬武漢動(dòng)力電池再生技術(shù)有限公司有限公司（以下簡稱動(dòng)力再生）攜手打造。 據(jù)了解，廣州優(yōu)美注冊資本約1.15億人民幣，經(jīng)營范圍含化工產(chǎn)品銷售
    2024-04-16 10:29

  • 寧德時(shí)代、科達(dá)利、特斯拉等發(fā)力這一新賽道！

    4月22日，科達(dá)利發(fā)布公告稱，公司與臺(tái)灣盟立臺(tái)灣盟立、臺(tái)灣盟英擬共同投資深圳市科盟創(chuàng)新機(jī)器人科技有限公司（以下簡稱深圳科盟）并簽署《投資合作協(xié)議書》。深圳科盟并簽署《投資合作協(xié)議書》。深圳科盟注冊資本擬為人民幣1億元，其中公司以現(xiàn)金方式投入人
    2024-04-24 10:11

  • 續(xù)航里程1000公里！寧德時(shí)代發(fā)布神行PLUS電池

    4月25日，在2024北京車展上，寧德時(shí)代舉行乘用車新品發(fā)布會(huì)，發(fā)布神行PLUS電池，續(xù)航里程1000公里。同時(shí)，充電10分鐘可續(xù)航600公里。
    2024-04-25 17:53

  • 天奇股份牽手長安汽車 共同打造動(dòng)力電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)！

    天奇股份4月18日公告，擬與中國長安、長安汽車共同投資設(shè)立合資公司，并以合資公司為主體合作開展電池回收、梯次利用及再生業(yè)務(wù)。目標(biāo)打造成為西南區(qū)域領(lǐng)先的電池回收標(biāo)桿企業(yè)。 合資公司的注冊資本為1.8億元，其中公司擬出資8820萬元，持有合資公司49%的股
    2024-04-19 08:42

  • 50億元！這家公司擬在摩洛哥投建鋰電池負(fù)極材料項(xiàng)目

    4月26日晚間， 中科電氣 發(fā)布公告，宣布公司計(jì)劃通過其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中國香港或其他海外地區(qū)新設(shè)全資子公司， 以間接投資方式設(shè)立摩洛哥項(xiàng)目公司，實(shí)施一項(xiàng)年產(chǎn)10萬噸鋰離子電池負(fù)極材料一體化基地項(xiàng)目 。 據(jù)了解， 項(xiàng)目計(jì)劃總投資
    2024-04-29 18:25

  • 全固態(tài)電池三大技術(shù)路線，誰將最終勝出？

    近年來，憑借高密度、更安全性、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“最具潛力的下一代鋰電池技術(shù)”的固態(tài)電池受到市場關(guān)注，最新消息不斷。
    2024-04-22 18:17

  • 鋰礦龍頭一季度預(yù)虧超36億元，收深交所關(guān)注函！

    4月23日晚間，天齊鋰業(yè)發(fā)布業(yè)績預(yù)告，預(yù)計(jì)今年第一季度同比由盈轉(zhuǎn)虧。 同日晚間，深交所對天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營業(yè)務(wù)開展情況、產(chǎn)品產(chǎn)銷量、產(chǎn)品價(jià)格等，分析2024年一季度虧損較2023年四季度大幅增加的原因，并說明是否存在持續(xù)虧損風(fēng)險(xiǎn)等。 鋰
    2024-04-25 09:30

  • 又有車企公布全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間！

    當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月16日，日產(chǎn)汽車公開全固態(tài)電池試生產(chǎn)線的預(yù)定設(shè)置場所，在生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)等的橫濱工廠建筑內(nèi)確保了約1萬平方米空間，為搬入設(shè)備推進(jìn)施工。 日產(chǎn)計(jì)劃2025年3月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標(biāo)2028年度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)日產(chǎn)介紹，全固態(tài)電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離
    2024-04-18 08:43
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