谁将主宰未来新能源汽车：氢燃料电池 or 固态锂电池？
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 汇能固态电池
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。
编辑：陈丹 校对：杨东川 审核：杨东川
来源：tom 高级新能源分析师，氢云链整理
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