氫燃料動力電池和鋰離子電池分析

近幾十年雖然各國都在大力推廣電動汽車，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過往的電動汽車都違反了能量密度提升這個能源變革的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰離子電池車，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業自然遲遲無法出現10倍速的改進。但燃料動力電池的出現卻徹底改變了這一現狀。其以氫氣為原料，基礎能量密度是汽油的3倍，電動機的做功效率還是內燃機的2倍，實際密度是汽油的6倍，優勢明顯。而且從人類過去百年的能源進化史看，其本質上就是碳氫比的調整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉向氫能源是大勢所趨，因此采用氫能源的燃料動力電池無疑更能代表歷史發展的方向，最有望成為下一代的基礎能源。

機動車性能重要為續航能力、充電/充氫時間、輸出功率和安全性等。燃料動力電池能量密度遠高于鋰離子電池，相應電池容量，快充能力和續航里程就具備了天然的優勢，即使是和鋰離子電池的優秀豪車Tesla相比也是大幅領先。但其功率密度不高，最大輸出功率取決于輔助的動力鋰電池系統，相應最高時速和百公里加速指標和鋰離子電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車，對應45度鋰離子電池車和輸出功率100KW燃料動力電池車作為分析基準。

能量密度比較

鋰離子電池作為蓄電池的一種，是個封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰離子電池。但鋰已經是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極，但能量密度其實也只有汽油的1/4，而且商業化的技術難度極大，幾十年內都無望突破。因此鋰離子電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使達到也只有燃料動力電池的1/120，可謂輸在起跑線上。

體積能量密度比較

燃料動力電池的原料氫氣重要缺點就是體積能量密度不高，現在基本上是采用加壓來解決這個問題。按照現行的700個大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，燃料動力電池儲氫罐體積為100L，重量為30KG，對應汽油車油箱為30L，但電動機體積比內燃機小80L，總體積相差不大。鋰離子電池車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術路線，代表公司為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，要輔助的安全保護設備，跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠高于燃料動力電池。展望未來假如儲氫合金和低溫液態儲氫技術能夠突破，燃料動力電池體積能量密度將分別新增1.5倍和2倍，優勢會更為明顯。

功率密度比較

燃料動力電池本質上可以理解為以氫氣為原料的化學發電系統，因此輸出功率比較穩定，為了最大提高放電功率必須附加動力鋰電池系統，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個開放的動力系統，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不要考慮儲能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對電池壽命的要求也不高，在真實工況下的使用限制很少。鋰離子電池雖然理論放電效率很高，但為了不傷害電池壽命，使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個區間。即使如此，以5C倍率放電，實驗室中的電池循環壽命也會縮短到只有600次，真實工況下會進一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達310KW，但實際放電倍率也只有4C。而且鋰離子電池作為能量密度不高的封閉儲能體系，高功率放電和高續航里程基本很難兼容，除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。