氢燃料电池和固态电池哪个才是未来(固态电池和氢能源)

氢云研究：谁将主宰未来新能源汽车：氢燃料电池 or 固态锂电池？

作者 | tom 高级新能源分析师

我国油气资源匮乏，大幅度以来国外进口。为了保证国家能源安全，采取多元化能源发展路线。早期尝试了甲醇等生物质燃料，后又发展天然气、液化石油气燃料。随后又探索了超级电容、锂电池、燃料电池等技术，锂电池已经成功应用到交通领域，成为近年来新能源发展主力军。

锂电池能量密度，续航里程偏低，加之安全性存疑，一直备受业内外争议。而氢燃料电池技术突破，超高能量密度，成为业内外关注焦点。本文将从全新一代锂离子电池技术——固态电池，与氢燃料电池技术发展，分析二者优劣势，预判未来应用前景，供读者参考。

首先从全新一代锂电池技术——固态电池开始，分析目前固态电池技术产业化进程，及其技术优劣势。

1、固态电池产业化只差临门一脚，但续航改善有限

近一年多，台湾辉能开始与各大主机厂进行合作，测试电池包，这在氧化物固态电池领域具有标志意义。在10月22日东京车展上，丰田汽车CTO寺师茂树也表示，2020年东京奥运会示范运营固态电池汽车，2025年左右可以大规模生产固态电池汽车。以这些信息来看，辉能似乎在半固态电池产品和丰田硫化物全固态电池离量产越来越近。

2、辉能半固态锂电池初步具备小批量生产能力

近日，辉能CEO在某论坛上透漏了最新电池技术进展。通过论坛信息，我们可以看到目前辉能所谓固态电池并非全固态电池，而是采用添加少量有机电解液的半固态电池。添加少量有机电解液，可以大幅改善界面接触问题，使得电池性能几乎达到液态电池水平，同时在安全性、高低温性能、散热等方面还具有明显优势。这种半固态电池解决了目前液态锂电池安全问题，但没有解决能量密度问题。由于负极不能采用金属锂，其能量密度将不会有领先优势。

表1 主要锂电池技术路线特征

来源：氢云链

半固态锂电池具有与液态锂电池非常相近结构，其生产可采用低温压合、卷式生产工艺，保证半固态电池生产成本与液态锂电池具有一定可比性。目前陶瓷电解质生产规模较小，成本仍然较高，使得半固态电池原材料成本偏高。另一方面目前半固态电磁生产良率仍然低于液态电池。大规模生产之后，半固态电池成本会大幅下降，但与液态电池相比，可能仍然会处于劣势。总体来看，半固态电池核心优势是安全性，中短期（3-5年）内，成本仍然处于较大劣势地位。

图1 汇能固态电

辉能也意识到半固态电池不能完全解决现在里程焦虑，全固态金属锂电池也在积极开发当中。全固态电池由于不添加有机电解液，其界面接触问题需要通过其他手段来解决，目前仍然没有较好的解决方案。为了提高固态电池能量密度，金属锂负极非常合适的解决途径，但金属锂负极技术及相关界面问题是非常大挑战。虽然辉能朝固态电池迈进了“半步”，但实现真正全固态电池还有更艰难的“半步”要走。

图2 固态电池产业发展趋势 来源：氢云链

3、丰田全固态电池可实现小批量生产能力

早在2014年，丰田就透漏2025年左右要实现固态电池汽车量产。近日，丰田执行副总裁兼首席技术官寺岛茂树(Shigeki Terashi)在东京车展前夕透露，丰田将在2020年东京奥运会期间推出一款搭载固态电池技术的新能源车，该款车预计作为东京奥运会和残奥会上运动员及后期保障人员的出行巴士。

图3 丰田固态电池样车

根据公开技术资料显示，丰田采用了硫化物固态电解质技术路线，正极采用现有三元材料，负极采用石墨。关键生产工艺采用卷到卷方式进行，总体上与辉能生产工艺有一定相同之处。在电极浆料、压合技术上采用了新的配方和方法。丰田固态硫化物电池在工艺上与辉能最大不同，是不需额外注入少量电解液。丰田固态电池可能是真正意义上的固态电池，这使丰田未来实现金属锂负极、高电压正极材料应用，似乎水到渠成。

从丰田所采用材料体系推算，其电池能量密度与辉能半固态电池相当，在能量密度方面不具备优势。由于无法获取生产良品率，无法判断其成本与辉能差异，且目前谈成本仍然为时尚早。在未来技术成熟的预期下，丰田和辉能所生产固态电池，成本可能较为接近。总体来看，目前丰田全固态硫化物电池体系，与辉能半固态电池体系优势基本相当，能量密度问题仍然无法完全解决。

图4 丰田体积能量密度提升路径

4、从理论上看，全固态电池是可以解决液态电池安全、能量密度问题的。

辉能和丰田方案领先一步，提高了安全性，且实现低成本具有可行性（仍然需大规模生产验证）。未来通过高电压、金属锂，可进一步解决能量密度问题。丰田固态电池从目前的材料体系延伸到未来的高电压正极、金属锂负极材料，在工艺及材料体系方面更具有兼容性，因此其实现高能量密度固态电池量产可能会具有一定先发优势。

根据锂电池新材料、新工艺研发周期推算，在各种技术难题顺利解决情况下，2025年之后高能量密度固态锂电池或可实现原型开发及小批量生产。固态电池未来能否取代液态电池，首要决定因素是成本差异，其次才是安全性。笔者认为固态电池有希望把成本做到具有与液态电池相当水平，但“好事多磨”，存在很多不确定因素。

图5 不同种类锂离子电池能量密度

另一方面从氢燃料电池产业化及技术分析，氢燃料电池技术优势及发展困境。自2014年底丰田推出第一代氢燃料电池以来，全球氢燃料电池汽车保有量已经突破万台，预计2020年底保有量突破两万台，市场将由导入期慢慢转入成长期。超长续航能力及环保性成为了氢燃料电池汽车最闪亮标签。全球各地政府也在加大对政策扶持力度，相关企业加大投入纷纷建设加氢站等基础设施，希望推动氢燃料电池汽车产业发展。

新技术、新产业发展早期总会碰到各种各样问题，2019年可以称为氢燃料电池汽车发展早期的质疑阶段（早期动力电池也遭到严重质疑，起火爆炸、成本高......）。2019年以来多起氢气爆炸事件，导致业内外对氢气安全性充满质疑，同时加氢站建设投入高，氢气使用成本高，对氢燃料电池未来经济性也充满了担忧。笔者认为氢燃料电池安全性是技术问题，技术特征和使用成本才是市场定位的基准。下面笔者将从使用成本、产品特性分析，明确锂电和氢燃料电池在未来交通领域定位，供各位参考。

5、成本为王，短途、轻载场景锂电更优优势

采用煤制氢是目前成本最低氢气制造方案，有机构测算氢气生产成本约10元/Kg，即丰田mirai消耗能源成本为10元/百公里，目前煤电发电成本低于0.3元/度，按照特斯拉汽车20度/百公里，消耗能源的成本为6元。这其中只是粗略考虑燃料/能源生产成本，暂未考虑氢气储运与电力输送成本的差异，很明显使用氢气成本必定大幅度高于充电的成本。因此笔者认为在很长一段时间内，氢燃料电池汽车使用成本将大幅高于电动汽车使用成本。锂电池车辆更具有优势，其核心原因是锂电能量转换效率高，使用成本低。

图6 两种电池成本-续航里程对比

6、超长续航，长途、重载场景氢燃料电池优势明显

氢燃料电池由于能量密度高，长续航优势明显，可以运用于大载荷场景，如大型远洋船舶、重型长途车辆，而动力电池是难以胜任这些应用场景的。在燃料电池发展早期，我们已经看到其在大型船舶、火车、重载车辆领域的应用尝试，笔者认为氢燃料电池在这些领域应用更具有优势。而固态电池延续了液态锂电池优点，同时在一定程度上弥补了其续航里程（能量密度）不足问题，但其仍然难以与燃料电池相比。

氢燃料电池和锂电池在很多应用领域是相互补充的，比如在电网储能领域，氢燃料电池容量大，而锂电池响应快，在电网储能中起到作用也不尽相同。锂电功率密度大、氢电能量密度高，电-氢混合技术成为目前氢燃料电池汽车主要采用技术路线。能源领域从来都是受到政府管制的，未来不排除政府通过税收及相关管制措施，调节氢燃料电池使用成本，使得氢气使用成本具有比较优势。笔者认为不能单纯否定某一种技术，二者具有非常好的互补性，协调二者发展才能更好促进新能源产业发展。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

新能源，哪一种电池最有潜力？固态电池，燃料电池，铝电池

由于新能源 汽车 大火，每隔一段时间就会冒出几篇高 科技 电池电动车的新闻。氢燃料电池，固态电池，液流电池，石墨烯电池，铝离子电池，钠电池，锑电池，钒电池……看来，我们现在用锂电池简直是太蠢了，新的能源革命应该已经到来了，真相很残酷，并不是那么美好

电动车的核心技术是电池、电机、电控，也就是三电核心，是弯道超车，大战略的产物。最核心的就是电池，好的电池要具有以下特性：

一、有足够能能量密度，单位体积单位重量要有足够的容量，这样才能跑更远的路程。

二、有足够的功率密度，单位体积单位重量能产生足够大功率，这样车才能加速快，才能爬坡。

三、能量补充速度要快，充电或者换电都要快，要不然就只能限定在城市通勤，白天跑路晚上充电的模式。

四、平均使用成本要便宜，寿命和价格综合起来要有竞争力。

所以目前而言，没有比锂电池更好的替代物。虽然主流的磷酸铁锂和三元锂已经到了能量瓶颈。

其他流言中很牛的这个电池，那个电池，基本上都是吹牛炒作！之后一地鸡毛？真正通过了实践检验，现实中可以大规模使用的超级电池还没有。流言中高级电池现在根本不靠谱。

炒作中的电池

(一)氢燃料电池

日本搞得氢燃料电池，已经很多年了，现在快放弃了。燃料电池其实不能算电池，说是发电机比较适合。氢燃料电池不充电，它的充电方式其实就是加注氢，和 汽车 加油是一样的。我们只要把加油站换成加氢站，就大功告成了。

过程看起来很美好，但是氢的制造、运输、储存，远比燃油麻烦，且难以克服。氢有氢脆，对传输、储存的材料要求很高，氢气很容易泄露爆炸燃烧，氢环保，制氢不一定环保。

(二)铝空气电池

铝空气电池也是燃料电池。也是不需要充电的，和氢一样更换铝就行。看起来铝空气电池能量密度高是锂的好几倍，但是功率密度比低。而且铝的化学性质难以保证安全稳定，目前连可以量产的成品都没有，实用化为 时尚 早，即使铝空气电池成功了，前期也只能用于城市公交、出租一类可以固定位置换电的场所。全面普及需建造全国规模的换电站。

(三)固态电池

固态电池还是锂电池，电池一般都是液态电解液，而半固态，全固态电池可以大大提高能量密度和安全性，然而鱼在水里游的快，在泥里可游不动啊！技术路线一般三种，质子交换膜，氧化物，硫化物，前两种有量产，但是密度太低，硫化物牛逼，但是目前没研究出来！预计五到十年可能有突破。现在也就说说。

(四)石墨烯电池

石墨烯表面积比大，可以携带更多的锂离子，锂离子得失速度快。理论上，容量大，充放电快。但是在试验中，石墨烯做负极的锂电池循环寿命很差，充放电快，但是两次就失效了，显然是不能用的。现在开始研发各种各样的复合材料来做负极，还没研究出来。

（五）其它

每一种技术路线的电池都不止一种，都有替代品。目前元素周期表都快被炒了一遍了。电池技术是一个很慢的突破技术，短时间突破的都是炒作。每一种技术这都要研究，我们不是穿越者，无法肯定哪一种绝对正确。

最后，希望技术突破，带给 社会 变革，人类更加文明进步。

锂电池与氢燃料电池，你认为哪个更有前途？

氢只是地球上储能的一种形式，不同于锂电池储能。制氢需要能量转化，而生产汽油只需要提纯。因此，氢燃料电池发展的关键是氢的来源是否可持续。比如利用太阳能、风能等电力生产氢气。从这个角度来说，锂电池和锂电池没有本质区别。作为电动车的电池，经过几代的发展，最开始是铅酸电池，然后是镍镉和镍氢电池，最后是锂电池。这说明锂电池确实是独一无二的。

从能量密度、比功率、循环寿命来看，锂电池是最好的选择。但目前最好的锂电池也只能达到500公里左右的续航，这还是在理想工况下，达不到燃油车的水平。开发新型电池是新能源汽车不可回避的任务。可以肯定的是，氢燃料电池有一个更有前途的未来。锂电池有污染，而氢燃料电池依靠氢氧结合产生动能，无污染。虽然氢燃料电池的发展还没有成型，价格也比较贵，但是这种氢燃料电池将来一定会发展起来。

从应用来看，锂电池可以应用到很多产品上，而氢燃料电池可能只在汽车领域有所发展。从发展前景来看，目前锂电池的发展已经在全球范围内。然而，氢燃料只限于少数国家的少数公司，还远远没有真正成熟到可以商用。氢能是国外推广的主要技术路线，(锂)电池是国内推广的主要技术路线。其核心根源，PK，其实是国家政策不同造成的。

国外的情况决定了只能走氢路线：日本电能匮乏(被迫走核电)，电池供电的国家用不起。海水会很充足，海洋加太阳能(潮汐能，太阳能)电解水更合理。我们国家的情况不同。西北地区不缺电能储备，所以走电池路线。产业链上游有宁德这样的电池技术厂商，下游有比亚迪这样的车厂。除此之外，我们还利用特斯拉的鲶鱼，把美国拉入这个阵营，整合整个供应链。这样需求也有了，再用补贴来支撑，很快就会形成规模。一旦形成批量效应，成本会大幅下降，进而会刺激技术的发展。这已经不是技术的优劣所能左右的趋势了，所以我们看到补贴也取消了，电动车还活得好好的。

锂电池与氢燃料电池，哪个更有前途？

氢燃料电池更有前途，锂电池有污染，而氢燃料电池通过氢和氧的结合产生动能，这是无污染的。锂电池和氢燃料电池各有利弊。细分而言，两者在充电/补充燃料时间、污染水平、续航里程、充电站成本和电池成本方面有各自的优势。例如，氢燃料电池只需几分钟就可以补给燃料，但是锂电池即便使用超充通常也需要一个多小时。例如特斯拉V3超充，虽然它可以有极快的充电速度，但并不代表一般情况。

至于污染程度、续航里程就不用多说了，这是氢燃料电池的优势。锂离子电池一直难以突破续航里程的瓶颈，同时也带来污染。然而，因为锂电池更加成熟，它们的充电站成本和电池成本比氢燃料电池低得多。据研究，一个加氢站的建设成本约等于五个锂电池充电站的建设成本(不包括后期维护)。

让我说这两种类型的电池有很大的前景，但它们未来的发展方向将会不同。锂电池更适合乘用车，而氢燃料电池更适合商用车。在类似的结论中，清华大学的欧阳明高教授(中国科学院院士)在2018氢能产业创新与发展论坛上提到了——:“通过各种实践，锂离子电池系统更适合替代汽油发动机，氢燃料电池系统更适合替代柴油发动机。这就是为什么目前的技术研究集中在燃料电池商用车辆上。”

未来的汽车的供能系统，究竟是从电池组携带能量，还是从燃料电池发电？目前我们所处的时代，正在围绕着这个问题展开激烈的斗争。

目前，氢燃料电池动力系统的核心技术与电动汽车相比成熟度较低，随着未来燃料电池电堆和储氢等相关技术的不断进步，燃料电池汽车甚至在乘用车领域也有可能逐渐赶超电动汽车，实现更大规模的发展。

锂电池和氢燃料电池哪个未来的市场会更好？

这个还是要看市场的需求，作为交通工具，新能源汽车追求的也无非是安全和动力，还有续航能力。在这几方面来说，锂电池汽车最大的瓶颈是续航能力，氢燃料电池汽车的瓶颈是安全性。

作为电动汽车的电池，经过了几代的发展，开始是铅酸电池，后来是镍镉和镍氢电池，最后是锂电池。这说明锂电池确有独到之处。无论从能量密度，比功率，还是循环使用寿命来说，锂电池都是目前的最优选择。但目前最好的锂电池还是只能做到500公里左右的续航能力，这个还是理想工况下的，所以达不到燃油车的水平。开发新的电池是新能源汽车的绕不过的任务。

新型电池的努力是多方位的，有石墨烯电池，金属空气电池，锂硫电池，超级电容电池等等，任何一种取得突破都将引起汽车业的革命。但目前最有可能突破的是固态电池，应该在实验室得到了证实，大公司们都在争分夺秒的研发，看谁最先量产。

燃料电池汽车目前最具代表性的是丰田的MIRAI，续航500多公里，还可充当移动发电站，后备箱的插座，够普通家庭一星期的用电。两大弊端，一是用700个大气压的压力储氢，一旦泄漏或爆炸后果都不堪设想。再是加氢站太少，无处加氢。催化剂用铂并不是大问题，一是用量少，二是已出现替代物。

纯电动的问题在于所充的电从哪里来？说不定也是用煤发的，所以不见的一定环保。氢燃料电池汽车排放物是纯水，绝对的环保，但是所用的氢气生产过程是否环保也不好说，因此哪个能最后胜出尚不可知。

所以谁更能吸引到消费者，谁就有市场。

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