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氢云链:谁将主宰新能源汽车:氢燃料电池 or 固态锂电池?

发布时间:2019-01-10 19:41 来源:氢云链点击 :
原文标题:谁将主宰新能源汽车:氢燃料电池 or 固态锂电池?
原文发布时间:2018-12-24 11:00
原文作者:氢云链。
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2018年国内电动车市场渗透率大幅提高,市场对电动汽车的续航里程短、电池着火、电池寿命短等问题也不断提出质疑。这让电车产业陷入了技术提升速度跟不上产业发展的尴尬境地。丰田的燃料电池汽车量产,使市场焦点聚焦到了燃料电池技术路线。另外,固态锂电池具有高安全、高能量密度特征,也开始受到市场关注。究竟哪一个技术路线代表新能源汽车的未来?本文客观分析这两项技术优劣势,为预测未来新能源汽车发展技术路线提供依据。(锂电池是什么)。

需要说明的是,本文讨论的燃料电池仅仅指氢燃料电池。讨论范围主要限于氢燃料电池及固态锂电池主要基于以下原因:1、目前液态锂离子电池已经大规模应用于新能源汽车,固态锂电池属于液态锂电体系升级版本,未来在新能源汽车领域有大规模应用可能性;2、氢燃料电池已经在新能源汽车领域有一定应用,大多数新能源厂商也主推氢燃料电池。(锂电池是什么)。

接下来,本文从产品基本结构、产品特性和产业链三个角度展开讨论:

一、 产品基本结构分析

锂电池技术发展较早,1991年索尼第一个将锂电池商品化,随着技术不断进步,已经发展成为目前大规模应用于电子产品和电动车的液态锂离子电池体系。固态锂电池是在对传统液态锂离子体系进行大幅改进之后的产品。如下为二者结构差异。

图1 液态锂离子电池、固态锂电池结构对比


资料来源:公开资料整理

固态锂电池采用固体电解质,不需要隔离膜,且可应用高电压正极材料(液态锂离子电池难以应用),负极以金属锂替代石墨,其能量密度可以大幅提升。固态锂电池没有有机液体,其安全性能大幅提升。总体来看,固态锂电池需要基础材料重大创新和工艺技术持续优化,才能逐步达到稳定应用水平,并逐步取代现有液态锂离子电池。

图2 固态锂电池能量密度


资料来源:公开资料整理

氢燃料电池技术与锂电池技术存在较大差异,其系统结构复杂性较锂电池体系更高。以上讨论的锂电池体系基本模型结构均为可逆电化学池结构,其系统为封闭系统,不需要大量额外控制系统、辅助系统。氢燃料电池核心是氢氧反应电化学池,但其系统控制过程更为复杂。作为一个开放系统,氢燃料电池需要控制氢气、空气、热量等,因此其控制难度远远超过锂离子电池。如下图为氢燃料电池系统简要结构,其包括氢气存储系统、氢气供应系统、热管理系统、空气供应系统、电堆反应系统及一些辅助系统。氢气供应系统、热管理系统、空气供应系统可以借用现有技术持续改进和优化升级,技术难度相对较低。氢气存储系统、电堆系统则需要基础材料如耐压材料、催化剂等重大创新和工艺技术持续优化。

图3 氢燃料电池系统简要结构


资料来源:公开资料整理

从基础技术层面来看,固态锂电池、氢燃料电池均需要在关键基础材料方面进行重大创新,而基础材料的创新是难度极大,相关材料的开发时间周期很长。因此,固态锂电池和氢燃料电池在基础技术层面属于同等级难度。

二、产品特性比较

产品的基本结构和特征决定了产品性能、应用领域,技术水平决定了其现有应用情况。我们以目前液态锂离子电池作为基本参考,与固态锂电池、氢燃料电池进行对比。目前液态锂离子电池已经较为成熟,主要缺点为续航和安全性。固态锂电池技术尚不成熟,使用寿命不足,能量密度优势尚未体现。氢燃料电池应用不及液态锂离子电池广泛,但目前标杆企业产品性能已经非常好,完全能够满足车用要求,其续航里程有了大幅提升,在安全性方面也有较好保障。

表1 固态锂电池和氢燃料电池特点


资料来源:公开资料整理

在安全性方面,液态锂电池具有本征不安全性,内部缺陷及滥用均可能导致起火、爆炸,众多手机爆炸、电动车起火等事件可以验证。固态锂电池在汽车应用不多,没有足够的样本加以验证,但基础试验证实其安全性大大优于液态锂电池,其基础结构能反映其安全性优于液态锂离子电池(主要基于两点:1、固体电解质化学性质稳定、不易挥发、不易燃烧、不存在SEI等不稳定成分;2、固体电解质在电池内部短路时会受热膨胀,使短路点分开,同时高温会使电解质失效,切断锂离子通路)。

图4 固态锂电池安全性


资料来源:辉能科技

氢燃料电池本征不安全主要体现在高压氢气,高压氢气系统失效和滥用,均可能导致安全问题,目前高压氢气使用过程中已经出现一些安全事故。笔者认为氢燃料电池安全性优于液态锂离子电池:高压氢气具有较高能量,它与电化学反应系统(电堆)是分开的,因此在反应失效时,可以通过各种手段停止供应氢气,剧烈的化学反应即被阻断,避免爆炸危险。液态锂离子电池能量载体和电化学反应器是合二为一的,一旦电化学反应器破坏,剧烈的化学反应将难以阻止,大概率会发生爆炸、起火。单独的高压氢气,需要泄露及明火条件,才可能发生爆炸。高压氢气属于危化品范畴,但通过有效的管控措施,高压氢气安全性可以得到有效保障。

另外在基础设施配套方面,存在较大差异。电网如同毛细血管一样覆盖了全球经济活跃区域,电网基本随处可达,目前国内已经安装了近20万根公共充电桩,主要集中在大中城市。另外大多数电动车车主配有便携式充电桩,其数量远超20万。中小功率充电桩价格数千元,即使大功率充电桩价格也仅仅数万元,因此其价格不能构成构成充电桩建设的障碍。加氢站建设,若采取氢气管网输送,管网建设将是一项浩大工程,若采取车辆运送,需要投入大量专用车辆进行运输,且需要特殊安全监管。另外一座小型加氢站,设备投入成本至少数百万元。若采取分布式电解制氢,一方面设备投入成本将远远超过同规模充电站成本,且氢气使用成本将大幅高于直接充电(后面将加以说明)。总体来看,氢燃料电池基础设施建设难度远远大于充电设施建设,基础设施建设也是氢燃料电池汽车发展主要障碍之一。

在电池系统成本方面,氢燃料电池与固态锂电池存在较大差异。为了便于比较、简化分析,以固态锂电池和氢燃料电池目前市场应用情况进行比较。固态锂电池并非新兴技术,早在2000年代,多家企业已经研发出微型固态锂电池。由于其结构简单,安全可靠,其在有源芯片,微型医疗设备、消费电子领域有广泛应用。如Cymbet成立如2000年,其主要产品为固态锂电池广泛应用于微型芯片、医用设备、消费电子等领域。获得软银资本投资的台湾辉能科技主要产品仍然面向特殊类型消费类电子产品(目前正在尝试向电动汽车等大型设备领域扩张)。最近几年多家厂商开始加速布局车用固态锂电池,而早期的应用集中在小型甚至微型设备领域,固态锂电池因结构简单,在小型设备领域具有天然优势。

图5 氢燃料电池与固态锂电池成本变化示意图


资料来源:玖牛研究院

注:该续航假设二者可以达到正常行驶的功率

反观氢燃料电池,其早期的应用可以追溯到阿波罗飞船供电系统,2000年代之后其应用开始在家用发电、新能源汽车领域渗透。由于氢燃料电池系统结构复杂,制造成体积和功率较大的设备较为容易,其在大型设备应用领域更具有天然优势,而微型化、小功率似乎并不是氢燃料电池所擅长的领域。如上图,固态锂电池与氢燃料电池在成本上的差异,决定了其产品应用场景存在一定差异,固态锂电池在短续航车辆、轻型车领域更具有优势,而氢燃料电池在大型车、长续航车辆领域更具优势。可以预见的是,在二者成本低于某一零界点的时,固态锂电成本会更低,高于这一零界点时,燃料电池成本更低。笔者认为,如果氢燃料电池和固态锂电池都能大规模应用于新能源汽车,二者应用领域仍存在一定差异化。

从能源效率角度分析,固态锂电池具有更高效率。以目前最为关注的能源使用途径为例,比较使用氢燃料电池和固态锂电池哪一种具有更高能源利用效率。煤制氢是目前所业内比较认可的制氢方案,其热转换效率为75%,而氢燃料电池发电效率理论虽然高达90%,但由于电化学反应存在极化,内部电阻等影响,丰田Mirai的燃料电池效率也仅55%,因此从煤炭到车轮的效率仅41%。在在计算时忽略了氢气压缩消耗能量约20%,储运等过程的能量消耗至少也要占5%,考虑这些过程,预计能量总效率31%左右。

通过固态锂电池,煤炭到车轮等效率可达35%,具体分析如下。100MW以上的发电效率基本超过40%,而采用高温超临界技术发电效率接近50%。锂离子电池储电效率约为95%。因此采用固态锂电储电总效率38%,另外电网输配电损失7%左右,扣除损失后,总热效率可达35%。虽然此处分析较为简略,但已经考虑了主要影响方面,这能为我们初步判断提供基本参考。

图6 化石能源转化使用效率示意图


资料来源:公开资料整理

另外有氢能行业人士认为富余光伏、风电电解制氢是非常有优势的,能够大规模存储氢气。但从能量损耗角度来看,采用储能电池技术的能源效率大大高于电解制氢的效率。笔者认为氢燃料电池发电能源效率低于储能电池技术能源效率。

三、产业链分析

产业链专业化分工可作为产业技术成熟度重要判断依据,我们借此来分析两种技术路线发展阶段差异。氢燃料电池上游零部件行业已经基本形成了专业化发展格局,离子交换膜、催化剂、双极板、扩散层、压缩机、储氢罐、电堆集成等均有专业化制造商,其产品均能实现批量生产和供应。

固态锂电池核心有正极、负极、固态电解质、电池制造细分市场,正极、负极等均有专业化生产厂商(沿用液态锂离子电池等相关产业),而核心材料固态电解质目前没有专业化制造厂商,固态电解质以固态锂电池制造商主导。电解质的研发和制造以电池制造商主导主要有两方面原因:1、基础材料性能优化需要与下游工艺密切结合,电池制造商主导效率更高;2、产业链处于处于起步阶段,专业化电解质制造公司尚未培育形成。基于以上分析,笔者认为氢燃料电池技术和产业成熟度均高于固态锂电池(但并不能判断10-20年之后氢燃料电池仍然处于领先地位)。

表2 氢燃料电池及固态锂电池产业链(车用领域)概况

资料来源:公开资料整理

正如上面所提到的,固态锂电池产业发展目前主要受到关键基础材料及相关技术突破,目前来看,虽然固态电解质技术已经有了一定进步,但实现真正大规模应用突破还需时日。Bollore已经实现了小批量在汽车上应用,但由于成本过高、电池能量密度偏低,成本和续航仍难以和液态锂电池竞争,技术和工艺需要进一步提高,才有可能大规模应用。丰田、本田、三星、LG等,正在加大相关固态锂电池技术投入,以期待未来能够大规模车用。丰田投入数千亿日元,联合多家相关企业合作研发,以期在2022年实现量产。

相比较而言,氢燃料电池在汽车领域的应用的技术障碍更少,丰田、本田、现代已经实现小批量应用,且在不断迭代升级,技术进步可期。巴拉德、plug power及众多中国企业已经在叉车、商用车领域开始小规模应用,2017-2018年中国企业对氢燃料电池更是情有独钟,投资领域进入新的热潮。

图7 氢燃料电池与固态锂电池发展趋势


资料来源:公开资料整理

综上分析,笔者认为:1、从现阶段技术技术成熟度来看,氢燃料电池技术更为成熟,在资本热捧下,进入了快速发展阶段。而固态锂电池技术瓶颈目前还没有得到较好的解决,该领域的投资有一定有升温,但未来一段时间发展速度仍然不及氢燃料电池。2、从二者技术特性来看,固态锂电池在能源效率、安全性、基础配套等方面更胜一筹,而氢燃料电池在续航、技术成熟度方面更胜一筹。3、从长期来看,二者在新能源汽车领域均有广泛的应用潜力,多元化技术路线,能为新能源汽车不同应用场景提供多样化的方案。

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