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新能源汽車動力源探討: 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汽車（LIB-EV）為主要方向。最近幾年，鋰離子電池純電動汽車在我國已經(jīng)成為新能源汽車的主流路線，當(dāng)前我國的純電動汽車絕大多數(shù)采用的是磷酸鐵鋰動力電池。
 
　　而作為全球電動汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)頭羊的日本，在電動汽車技術(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燃料電池電動汽車量產(chǎn)的消息，在國內(nèi)電動汽車界引發(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汽車上走燃料電池路線是錯誤（路線錯誤論），例子就是當(dāng)前國際上火熱的美國Tesla純電動汽車。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力系統(tǒng)更加合適純電動汽車？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)牧私猓疚闹泄P者將拋開深奧的電化學(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，希望能夠在純電動汽車動力源的問題上給廣大讀者提供一些不同的視野和角度。
 
　　對這兩種動力系統(tǒng)進(jìn)行比較分析之前，我們首先要認(rèn)識LIB和PEMFC最本質(zhì)的特征，這樣才能認(rèn)識這兩種化學(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裝置，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放。衡量二次電池存儲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。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，電動車從此退出了歷史舞臺。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。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)十年里在這兩個領(lǐng)域支持力度相差并不大，這主要是因?yàn)槿毡驹谶@兩個領(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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    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)下屬武漢動力電池再生技術(shù)有限公司有限公司（以下簡稱動力再生）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，公司與臺灣盟立臺灣盟立、臺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，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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