誰將主宰未來新能源汽車：氫燃料電池 or 固態鋰電池？
來源：氫云鏈 2020-02-26
我國油氣資源匱乏，大幅度以來國外進口。為了保證國家能源安全，采取多元化能源發展路線。早期嘗試了甲醇等生物質燃料，后又發展天然氣、液化石油氣燃料。隨后又探索了超級電容、鋰電池、燃料電池等技術，鋰電池已經成功應用到交通領域，成為近年來新能源發展主力軍。
鋰電池能量密度，續航里程偏低，加之安全性存疑，一直備受業內外爭議。而氫燃料電池技術突破，超高能量密度，成為業內外關注焦點。本文將從全新一代鋰離子電池技術——固態電池，與氫燃料電池技術發展，分析二者優劣勢，預判未來應用前景，供讀者參考。
首先從全新一代鋰電池技術——固態電池開始，分析目前固態電池技術產業化進程，及其技術優劣勢。
1、固態電池產業化只差臨門一腳，但續航改善有限
近一年多，臺灣輝能開始與各大主機廠進行合作，測試電池包，這在氧化物固態電池領域具有標志意義。在10月22日東京車展上，豐田汽車CTO寺師茂樹也表示，2020年東京奧運會示范運營固態電池汽車，2025年左右可以大規模生產固態電池汽車。以這些信息來看，輝能似乎在半固態電池產品和豐田硫化物全固態電池離量產越來越近。
2、輝能半固態鋰電池初步具備小批量生產能力
近日，輝能CEO在某論壇上透漏了最新電池技術進展。通過論壇信息，我們可以看到目前輝能所謂固態電池并非全固態電池，而是采用添加少量有機電解液的半固態電池。添加少量有機電解液，可以大幅改善界面接觸問題，使得電池性能幾乎達到液態電池水平，同時在安全性、高低溫性能、散熱等方面還具有明顯優勢。這種半固態電池解決了目前液態鋰電池安全問題，但沒有解決能量密度問題。由于負極不能采用金屬鋰，其能量密度將不會有領先優勢。
表1 主要鋰電池技術路線特征
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半固態鋰電池具有與液態鋰電池非常相近結構，其生產可采用低溫壓合、卷式生產工藝，保證半固態電池生產成本與液態鋰電池具有一定可比性。目前陶瓷電解質生產規模較小，成本仍然較高，使得半固態電池原材料成本偏高。另一方面目前半固態電磁生產良率仍然低于液態電池。大規模生產之后，半固態電池成本會大幅下降，但與液態電池相比，可能仍然會處于劣勢。總體來看，半固態電池核心優勢是安全性，中短期（3-5年）內，成本仍然處于較大劣勢地位。
圖1 匯能固態電池
輝能也意識到半固態電池不能完全解決現在里程焦慮，全固態金屬鋰電池也在積極開發當中。全固態電池由于不添加有機電解液，其界面接觸問題需要通過其他手段來解決，目前仍然沒有較好的解決方案。為了提高固態電池能量密度，金屬鋰負極非常合適的解決途徑，但金屬鋰負極技術及相關界面問題是非常大挑戰。雖然輝能朝固態電池邁進了“半步”，但實現真正全固態電池還有更艱難的“半步”要走。
圖2 固態電池產業發展趨勢
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3、豐田全固態電池可實現小批量生產能力
早在2014年，豐田就透漏2025年左右要實現固態電池汽車量產。近日，豐田執行副總裁兼首席技術官寺島茂樹(Shigeki Terashi)在東京車展前夕透露，豐田將在2020年東京奧運會期間推出一款搭載固態電池技術的新能源車，該款車預計作為東京奧運會和殘奧會上運動員及后期保障人員的出行巴士。
圖3 豐田固態電池樣車
根據公開技術資料顯示，豐田采用了硫化物固態電解質技術路線，正極采用現有三元材料，負極采用石墨。關鍵生產工藝采用卷到卷方式進行，總體上與輝能生產工藝有一定相同之處。在電極漿料、壓合技術上采用了新的配方和方法。豐田固態硫化物電池在工藝上與輝能最大不同，是不需額外注入少量電解液。豐田固態電池可能是真正意義上的固態電池，這使豐田未來實現金屬鋰負極、高電壓正極材料應用，似乎水到渠成。
從豐田所采用材料體系推算，其電池能量密度與輝能半固態電池相當，在能量密度方面不具備優勢。由于無法獲取生產良品率，無法判斷其成本與輝能差異，且目前談成本仍然為時尚早。在未來技術成熟的預期下，豐田和輝能所生產固態電池，成本可能較為接近。總體來看，目前豐田全固態硫化物電池體系，與輝能半固態電池體系優勢基本相當，能量密度問題仍然無法完全解決。
圖4 豐田體積能量密度提升路徑
4、從理論上看，全固態電池是可以解決液態電池安全、能量密度問題的。
輝能和豐田方案領先一步，提高了安全性，且實現低成本具有可行性（仍然需大規模生產驗證）。未來通過高電壓、金屬鋰，可進一步解決能量密度問題。豐田固態電池從目前的材料體系延伸到未來的高電壓正極、金屬鋰負極材料，在工藝及材料體系方面更具有兼容性，因此其實現高能量密度固態電池量產可能會具有一定先發優勢。
根據鋰電池新材料、新工藝研發周期推算，在各種技術難題順利解決情況下，2025年之后高能量密度固態鋰電池或可實現原型開發及小批量生產。固態電池未來能否取代液態電池，首要決定因素是成本差異，其次才是安全性。筆者認為固態電池有希望把成本做到具有與液態電池相當水平，但“好事多磨”，存在很多不確定因素。
圖5 不同種類鋰離子電池能量密度
另一方面從氫燃料電池產業化及技術分析，氫燃料電池技術優勢及發展困境。自2014年底豐田推出第一代氫燃料電池以來，全球氫燃料電池汽車保有量已經突破萬臺，預計2020年底保有量突破兩萬臺，市場將由導入期慢慢轉入成長期。超長續航能力及環保性成為了氫燃料電池汽車最閃亮標簽。全球各地政府也在加大對政策扶持力度，相關企業加大投入紛紛建設加氫站等基礎設施，希望推動氫燃料電池汽車產業發展。
新技術、新產業發展早期總會碰到各種各樣問題，2019年可以稱為氫燃料電池汽車發展早期的質疑階段（早期動力電池也遭到嚴重質疑，起火爆炸、成本高......）。2019年以來多起氫氣爆炸事件，導致業內外對氫氣安全性充滿質疑，同時加氫站建設投入高，氫氣使用成本高，對氫燃料電池未來經濟性也充滿了擔憂。筆者認為氫燃料電池安全性是技術問題，技術特征和使用成本才是市場定位的基準。下面筆者將從使用成本、產品特性分析，明確鋰電和氫燃料電池在未來交通領域定位，供各位參考。
5、成本為王，短途、
