燃料电池与锂电池全方位对比

　　新能源汽车，电池是关键，也决定了该新能源汽车的类别。在电动汽车中，锂电池是现阶段最为成熟、性能较为稳定、应用最为广泛的动力电池。

　　随着燃料电池的不断发展，目前行业内已经形成了初步的共识，新能源汽车未来将是以锂电池作为主动力电池的新能源汽车和以燃料电池为主动力电池新能源汽车共存的局面。

　　今年7月10日，中国汽车工业协会发布了6月汽车产销数据。中国汽车产销量分别为189.5万辆和205.6万辆，同比分别下降17.3%和9.6%，为连续12个月销量下滑。

　　但在新能源汽车方面， 6月份当月纯电动汽车产销分别完成11.3万辆和12.9万辆，比上年同期分别增长78.0%和106.7%。

　　燃料电池汽车产销分别完成508辆和484辆，比上年同期分别增长9.8倍和14.6倍。

　　1-6月，纯电动汽车产销分别完成49.3万辆和49.0万辆，比上年同期分别增长57.3%和56.6%。

　　燃料电池汽车产销分别完成1170辆和1102辆，比上年同期分别增长7.2倍和7.8倍。

　　从以上数据及往年各年数据可知，新能源汽车成为我国汽车行业未来的主流是大势所趋，那么作为未来两种新能源主流车核心的两种动力电池，各自有哪些特点以及各方面的性能比较是如何的呢？

　　锂电池

　　锂电池主要是指在电极材料中使用了锂元素作为主要活性物质的一类电池，主要包括锂金属电池和锂离子电池两大类。本文中讲的锂电池主要为锂离子电池。

　　锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，是可以充放电的电池。锂离子电池的结构主要包括正极、隔膜、负极、电解液和电池外壳。

　　正极：一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料（俗称三元），纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。

　　隔膜：为一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。

　　负极：一般为石墨，或近似石墨结构的碳。

　　电解液：是电池中离子传输的载体，一般由锂盐和有机溶剂组成，主要作用是在锂电池正、负极之间传导锂离子。

　　电池外壳：分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，主要用来保护电池用。

　　锂离子电池根据正极材料分主要包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元锂、磷酸铁锂等，目前在车用方面较为成熟的为磷酸铁锂电池和三元锂电池，前者的代表是比亚迪，后者为特斯拉。

　　燃料电池

　　燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

　　它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。

　　燃料电池主要由三部分组成，电极、电解质和外部电路。

　　燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，主要包括阳极和阴极，厚度一般为200－500mm，其结构与一般电池的平板电极不同为多孔结构，目的是提高燃料电池的实际工作电流密度。

　　电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。

　　外部电路一般有双极板构成，双极板具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等作用，其性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。

　　常用的燃料电池按其电解质不同，可以分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）。

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于具有多种性能优势，包括电池操作温度低、启动速度快等，是目前应用较为成熟和广泛的燃料电池，在全球出货量和出货兆瓦数方面占据主导地位。

　　燃料电池的燃料主要是氢气、甲醇等碳氢化合物。本文中的燃料电池主要以氢燃料电池为例进行分析。

　　两种电池的全方位对比

　　同为新能源电池，锂电池输入/输出电能，实际上是先将输入的电能储备起来，待到用时再通过输出的装置输出电能。

　　燃料电池其实相当于传统汽车的内燃机。内燃机烧油，只是能量转化装置，不是储能装置；燃料电池烧氢气，也是能量转化装置，不是储能装置。

　　而锂电池是储能装置，所以严格来说，燃料电池不是电池，是发动机。

　　因此，燃料电池是发电装置，而锂电池是储能装置。下表为两种动力电池的综合对比，对比因素包括综合性能方面、成本、政策支持、资源约束性、环境保护、商业化程度。

　　能量密度

　　能量密度（Energy density）是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。

　　电池的能量密度又分为单体电芯的能量密度和电池系统的能量密度，电池系统的能量密度低于单体电芯。

　　锂电池系统属于封闭系统，由于受制于锂元素特性，已目前在锂电池中能量密度最高的三元锂电池为例，其单体能量密度也仅为1.08MJ/kg（电池包系统衰减20%）。

　　未来如果要提升锂电池的能量密度，需依靠全固态电池技术的突破，但其能量密度上限也不高。

　　燃料电池系统属于开放性系统，其能量密度实质上取决于储氢量，氢气本身的能量密度为143MJ/Kg，而且目前燃料电池系统能量密度超过350wh/kg，未来随着储氢技术的进步，能量密度提升仍有非常大的空间。

　　功率密度

　　功率密度是动力电池最大输出功率与电池系统质量或体积的比值。

　　锂电池系统如果提高其输出功率使其能够高功率放电，一般解决办法是增加电池数量，这样同时会加大整个电池系统的重量，即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元电池，其电池组件重量都接近半吨。

　　因此锂电池系统高功率放电与高续航里程无法兼容，功率密度提升有限。

　　燃料电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统，因此输出功率比较稳定，一般为了最大提高放电功率只要附加动力电池系统即可，如丰田Mirai配套了镍氢电池。

　　燃料电池系统作为一个开放动力系统，输出功率提升容易，附加的电池也不会增加过多重量，丰田Mirai功率密度达到了2036W/kg。

　　安全性

　　无论搭载锂电池的纯电动车还是搭载燃料电池的汽车，只要是汽车那么安全性就是最重要的指标。

　　锂电池作为封闭的能量体系，从原理上高能量密度和安全性就很难兼容，如果单纯追求高能量密度，那么整个锂电池系统就相当于炸弹。

　　因此现在主流工艺路线中，能量密度低的磷酸铁锂安全性较好，电池温度达到500~600度时才开始分解，基本不需要太多的保护辅助设备。

　　Telsa采用的三元电池能量密度虽高，但不耐高温，250~350度就会分解，安全性差。

　　其解决方法是并联了超过7000节的电池，大幅降低了单个电池漏液，爆炸带来的危险。

　　但是如果分析特斯拉汽车发生的事故，要么是轻微的碰撞，要么是静态情况，但电池却着火了，因此其安全性方面还存在很多问题。

　　燃料电池本身安全性很好，其用于车载后，因此其安全性主要来自于储氢系统。

　　但通过大量的实验证明，相比汽油和天然气这两种常见的车用可燃气体，氢气的安全性并不差。

　　而且现在车用储氢装置都采用碳纤维材料，在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。

　　即使车祸导致泄露，由于氢气爆炸要求浓度高，在爆炸前一般就已经开始燃烧，反而很难爆炸。

　　而且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。因此随着商业化推进，其整体安全性是可控的。

　　可靠性

　　电池的可靠性指的是电池发生事故导致其丧失电能存储能力的概率。

　　锂电池的可靠性与其安全性问题有很大的关联，但是却不是一个概念。锂电池发生安全性事故，必然将导致其丧失电能存储能力。

　　但锂电丧失电能存储能力并不都是发生安全性事故而导致，比如由于容量“跳水”导致的电池失效。

　　锂电池系统是由成百上千个单体电芯通过串并联组装在一起的，因此整个电池系统的不可靠性将被急剧放大。

　　从国内纯电动汽车所积累的数据来看，锂电池系统的可靠性目前还不能令人满意。

　　而燃料电池从上个世纪70年代就已经应用于航天飞机，美国国际燃料电池公司（IFC）生产的第三代AFC（标称/极限功率7.0/12.0 KW）后来成为美国航天飞机的标准动力源。

　　目前全球正在或者即将服役的常规潜艇大多采用PEMFC（质子交换膜燃料电池）作为主动力电池系统。

　　俄罗斯、韩国、澳大利亚、以色列和意大利的新型常规潜艇都采用PEMFC燃料电池技术，大型PEMFC电堆单纯就技术层面而言已经发展到了高度完善可靠的程度。

　　因此燃料电池具有极高的可靠性。

　　环境温度适应性

　　由于汽车使用地域的广泛性，对于新能源汽车而言，温度适应性就非常重要了，其能适应什么样的温度范围则取决于动力电池本身。

　　当前，锂电池在零度以上的生活环境中性能不会受到到影响，但是零度以下出现的问题是其急需解决的难题。

　　锂电的低温性能主要取决于温度对电极材料的电导、离子扩散系数以及电解液电导率的影响。

　　低温下电解液的粘度增大电导率下降，导致电池极化急剧增加。尤其当锂电池在接近零度时，其性能急剧下降，-20℃几乎无法正常工作。

　　而且低温下频繁充放电会严重恶化锂电池的寿命，并且容易导致负极析出锂而带来安全隐患。

　　燃料电池在启动以后，由于电池本身的工作原理会放热，即使是在很低的环境温度下燃料电池电堆的温度也会很快稳定在80~90℃的正常工作温度范围。

　　丰田和本田公司的燃料电池汽车已经做到了-30℃启动，但是对于燃料电池而言，仍然需要继续提高其在低温下的性能，-40℃是未来的主要目标。

　　相关成本

　　动力电池涉及到了方方面面的成本，包括消耗成本、电池本身的成本和基础设施成本。

　　锂电池方面

　　锂电池消耗的是电，其成本主要是电费，锂电池汽车一般百公里耗电量约为17度，按照电价按照0.5元（家庭充电）~2.2元/度电（商用）来计算，其消耗成本为8.5~37.4元/百公里。

　　锂电池本身的成本价格，根据相关资料计算，其价格在8~9元/kwh左右。

　　锂电池车用的基础设施主要为充电站，目前单个充电站基础设施和配电设施投资在430万元左右。

　　燃料电池方面

　　燃料电池消耗的是氢气，消耗成本即为氢气消耗量的价格。

　　当前我国已商业化的加氢站氢气销售价格在30~120元/公斤之间（上海驿蓝加氢站氢气价格为40~45元/公斤），按照乘用车一公斤氢气续航100公里计算，其成本为30-120元/百公里。

　　燃料电池本身的成本跟产量有关，由于国外燃料电池汽车相对国内较为成熟，因此成本相对较低。

　　根据相关资料计算，国外当燃料电池产量达到50万台时其成本可以降至40美元/kW，当前国内由于产量小，电池成本在1~1.5万/kw之间。

　　燃料电池车用的基础设施为加氢站，加氢站的建设成本跟其加氢能力有关，一般来说，加氢能力越大，加氢站整体投资价格越高。

　　根据公开资料显示，国内500kg/d供氢能力的加氢站的投资规模在1200~1800万之间。

　　其中南海瑞晖加氢站成本1550万元，佛罗路加氢站成本1250万元，瀚蓝松岗禅炭路加氢站成本为2985万元。

　　当前我国加氢站建设价格最高的为上海驿蓝金山加氢站，此加氢站也为目前全球规模最大的加氢站，总投资额5500万元。

　　政策支持

　　无论锂电池汽车还是燃料电池汽车，由于其各方面高额的成本，前期发展均需要国家的大力支持。

　　2019年3月26日，财政部、工业和信息化部、科技部和发展改革委四部委联合发布了《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》。

　　重点内容包括：

　　1、国补力度大幅退坡，补贴基数综合下降程度超50%；

　　2、2019年3月26日至2019年6月25日为过渡期，期间按2018年补贴的0.1倍和0.6倍进行补贴；

　　3、过渡期后地补取消，转为支持充电（加氢）等配套设施；

　　4、电池技术要求更高，但调整系数下修。

　　该政策中与燃料电池相关的有：

　　1、3月26日—6月25日为过渡期，期间销售上牌的燃料电池汽车按2018年对应标准的0.8倍补贴；

　　2、燃料电池汽车和新能源公交车补贴政策另行公布；

　　3、地方补贴需支持加氢基础设施“短板”建设和配套运营服务；

　　4、延续2018年预拨资金政策，从2019年开始有运营里程要求的车辆完成销售上牌后即预拨一部分补贴资金。

　　而且最近工信部正联合其他部委，酝酿研究针对燃料电池的新补贴政策。据了解，相关补贴思路并不是像之前那样补到整车厂，而是考虑补贴生产核心部件的厂家。

　　从以上可以看出，纯电动的补贴在逐步下滑，燃料电池方面补贴力度仍然较大，而且从最近政策动态看，国家非常重视燃料电池汽车的发展将使其逐步走向正规。

　　资源约束

　　对于锂电池而言，资源来源主要是锂矿石，锂的全球储量是1400万吨， 2017年以电动车为主的锂消耗量约23万吨。

　　随着全世界新能源纯电动汽车的快速发展，假设2020年全球新能源汽车销量达到500万辆，全球锂资源折合为碳酸锂当量其需求将达到46.6万吨。

　　随着锂资源的紧缺，其价格也将水涨船高，也将是制约电动汽车发展的隐性因素，因此未来锂资源量很难支撑电动汽车的快速发展。

　　燃料电池在资源方面的约束主要是铂金。铂金被广泛应用于汽车、工业、首饰及投资领域。

　　数据统计，铂金在汽车催化剂领域的应用比例最高，占到总需求的37~41%，是铂金第一大消耗应用。

　　燃料电池的催化剂要用到贵金属铂，市场普遍担心其资源约束。

　　目前每辆氢燃料电池汽车铂的使用量为20克~30克，丰田Mirai单车铂消耗量约为20g，随着技术的进步，铂金作为燃料电池催化剂用量近些年在不断下降。

　　丰田计划在未来将铂单耗降低75%，并实现催化剂的铂回收。因此未来铂金对于燃料电池的发展不会产生阻碍。

　　环境保护

　　锂电池的原料为电力，目前我国电力结构中仍然以煤电为主，煤电近些年通过改造在污染排放方面取得了非常大的进步，但仍无法做到零排放、零污染，因此锂电池的使用从一定程度上来讲是有一定的污染性的。

　　燃料电池的原料为氢气，氢气的制取路线众多，随着未来燃料电池汽车的发展，我国又是可再生能源第一大国，未来氢气将基本由可能生能源来制取，因此可以说是真正的零污染、零排放。

　　商业化程度

　　锂电池在我国以及全世界范围内的应用非常成熟。在车用方面，电动车从2013~2015年是从0到1的过程，从2016~2018年实现了从1到10，电动汽车销量不断攀升，目前产业链非常成熟，已经完全的实现了商业化。

　　燃料电池目前无论是车用还是其他应用方面均不是非常成熟，燃料电池作为车用是我国以及全世界首要的应用方向。

　　2018年全年我国燃料电池汽车产销仅完成1527辆，但是2019年1-6月份，燃料电池汽车产销分别完成1170辆和1102辆，比上年同期分别增长7.2倍和7.8倍，发展非常迅速。

　　但是由于燃料电池本身存在成本较高、基础设施不完善等因素，燃料电池应用最成熟的日本也未能实现完全的商业化，我国更是处于商业化的初期。

　　总 结

　　锂电池和燃料电池，两者在性能、制造、成本、应用等方面都既有优势又有缺陷，在不同场景下使用不同的汽车，可以使我国的新能源汽车布局更加合理完善。

　　通过两种电池的特性可以得知，纯电动更加符合短途，目前产业链配套发展也较为成熟，在相当长的一段时间内，主流地位难以被撼动。

　　而燃料电池车会在长续航里程需求迫切、能够集中使用加氢站的客车、重卡甚至船舶、军工等领域获得一席之地。（作者：刘涛）