氫燃料電池與鋰電池哪個是未來EV主流
在汽車領域,未來的汽車的供能系統,究竟是從鋰電池組攜帶能量,還是從氫燃料電池發電?在過去的數年間,中國見證了鋰電池的崛起,也成為了全球鋰電池生產和消費的最大市場,但是氫燃料電池的發展同樣也列入了我們國家未來發展計劃之中。中國正在投資必要的基礎設施,到2030年,全國將會建立起3000個加氫站,很顯然鋰電池與氫燃料電池的賽道已經建立,技術競爭蓄勢待發。
觀點一:認為鋰電池比氫燃料電池好
埃隆·馬斯克認為氫燃料電池要選擇能量存儲機制,應該選擇甲烷或丙烷,因為它們更容易制取,但氫燃料電池非常愚蠢……制造氫氣并儲存并在汽車中使用它非常困難,如果你拿一塊太陽能電池板直接給電池組充電,與氫燃料電池電解相比,取氫,分離氧氣,壓縮氫氣……這大約是其效率的一半。
其實,馬斯克的話也不無道理。與電池相比,氫燃料電池的能源轉化效率上始終比電池低,相較于特斯拉的BEV效率,目前市面上最好的FCV在效率上仍然不及BEV一半;另外,在工業產業鏈發展與基礎設施(加氫站)建設上,氫燃料電池與鋰電池的差距仍有數十年。
燃料電池的發展仍在繼續,但充電基礎設施,氫氣的大規模生產及其庫存都滯后。氫的使用需要大量的基礎設施建設,高質量和大型蓄壓器。燃料電池,壓力罐(碳纖維)的生產,加油的氫氣價格,所需的加氫站基礎設施和H2生產設施的建設都顯得過于昂貴。除此之外,目前,以化石能源為原料的熱化學過程在工業上應用較為廣泛, 主要包括烴類蒸汽轉化、重油部分氧化、煤氣化和水電解等制氫方法。在氫的主流生產過程中,也存在著污染和低效率的問題。
觀點二:認為氫燃料電池比鋰電池好
多年來,豐田一直將氫燃料電池押在電池電動汽車上,以實現其零排放汽車戰略。豐田燃料氫電池是豐田公司運用在mirai新能源車上的先進技術,豐田氫燃料電池就像是一個發電站,它通過氧氣和氫氣進行化學反應才生產電,不是像普通儲電池那樣需要充電,只需要添加氫氣,通過化學反應產出電。
氫燃料電池的續航優勢相比鋰電池也很明顯,同樣續航500公里,普通鋰電池充電需要很長的時間,超級快速充電也需要一個半小時,而氫染料電池只要3分鐘就可以加滿氫氣。另外,在能量密度上,氫也遠遠超過了鋰離子,兩者甚至都不在同一個數量級上。
氫燃料電池汽車還有有以下優點:
加氫就像加油一樣,一般只需3~5分鐘。而電動汽車的充電則是一個緩慢的過程。即使特斯拉推出了超級充電站,通常也需要1個小時以上。
氫燃料電池主要的成分是氫,我們知道水的化學式是氫二氧,氫燃料電池在使用壽命結束后,并不會對環境造成污染。而鋰離子電池則含有很多重金屬,如果回收不當,就會對環境造成更大的污染。
氫燃料電池儲能密度高,且重量輕,續航里程普遍更遠。通常會超過500公里,而純電動汽車則根據電池容量的大小,目前大部分純電動汽車續航里程在300公里左右,少數車型可以達到400~500公里。
另一方面,歐洲也是氫燃料電池研究的另一個大本營。隨著德國能源轉型的不斷深入,大量的新能源并入電網,以歐洲最大的能源研究機構之一:于利希研究所(Jülich research center)正在倡導將新能源發電(風電)轉化為氫能,以解決可再生能源發電產生的電網波動與消納問題。
研究所主任Detlef Stolten教授指出:“在風能的幫助下,現有風力渦輪機將產生如此多的額外電力,在2050年它可以取代德國家庭目前需要供暖的天然氣。此外,通過電力市場的調控,用電高峰時間每年將減少90太瓦時。我們可以將這部分電能以70%的實際效率電解水,產生的氫燃料可以供應1600萬輛燃料電池汽車運行。”
“燃料電池還可以實現分散式電源。依賴天然氣網的家庭甚至小型住宅可以并行使用燃料電池。我們在討論移動性的過程中,也不要忘記整個能源系統中燃料電池的補償功能。”
從未來長遠發展上來說明氫燃料電池與鋰電池哪個是未來?
當前,全球能源和環境系統正面臨著巨大的挑戰。其中,作為石油消耗和二氧化碳排放大戶的汽車產業,也正面臨著一場革命性的變革,將包括純電動、燃料電池技術在內的純電驅動作為新能源汽車的主要技術方向,已然成為世界各國形成的共識。燃料電池汽車是電動汽車汽車電池的另一個重要方向,與鋰離子電池相比,可以清楚地看見兩者間有著明顯的優缺點。
首先,是從安全性角度出發。
燃料電池的安全隱患:氫氣的泄露與控制,是燃料電池系統安全隱患的主要來源,屬于物理層面,而鋰離子電池的安全隱患則主要來自于不易控制的鏈式反應,屬于化學層面。因為鏈式反應速度極其短暫。就可控性角度說,鋰離子電池的控制難度要高于燃料電池。不過在遇到極端劇烈碰撞的情況下,燃料電池的危害程度則要更大。當然這也僅僅是理論上,氫氣本身因為快速逃逸的特點使得泄漏時間很短,加上高壓氫氣瓶耐撞擊、跌落、槍擊等非常規性能也為安全提供了保障。
其次,是從低溫性能的角度看。
因為低溫下電解液的粘度增大電導率下降,會導致電池極化內阻急劇增加,一般廠商都不推薦零度以下的放電行為,因此鋰電池需要外部提供供熱來解決低溫問題。燃料電池低溫起步性能差,但隨著啟動后自身放熱的增加,電堆的溫度會很快穩定在80-90℃的正常工作溫度范圍。不過關于燃料電池如何實現低溫啟動,特別是不使用外輔電前提下的低溫啟動是一個重要的研究課題。
第三,是從成本角度考慮。
總體上看,無論是燃料電池還是鋰離子電池,在價格上都要高于傳統能源。特別是氫氣的來源、存儲以及安全使用等條件的復雜與嚴苛,導致氫燃料電池成本居高不下,短期內難以取得優勢。以大批量產數據來看,鋰電池成本最終會突破1000元/kwh;燃料電池的成本目前還是很高的,期望遠期大批量實現的前提下可能去接近于現在內燃機的價格。
第四,是充電所需消耗的時間。
冗長的充電時間始終是鋰離子電池一個難以磨滅的痛點。在一般的充電模式下,一輛裝有鋰離子電池的車,需要耗費3到8個小時才能充滿。相較之下,燃料電池就顯得方便快捷了許多,以氫燃料電池為例,直接加氫僅需3到5分鐘,就能滿血復活。
第五,續航里程。
這可能是所以純電動汽車,特別是鋰離子電池汽車最大的痛點了。傳統的鋰離子電池在續航能力上很難突破500km,相比之下能量密度高且重量更輕的燃料電池,在續航里程上就能夠達到更遠。
第六:溫度影響。
燃料電池汽車可以通過整車綜合熱管理,保持和夏天一樣長的續航里程,這一點是鋰離子電池不能做到的。鋰離子電池不管是PTC加熱還是空調加熱,都要消耗電量。燃料電池夏天的時候需消耗電量來給空調供電,而在冬天的時候只需用廢熱給乘客艙保溫和采暖。所以從理論上講,冬天的里程應該比夏天還長。目前有機構在開展基于朗肯循環的廢熱發電研究,若能實現將進一步提高燃料電池的效率。
第七:成本平衡。
燃料電池和純電動汽車的成本平衡點不同,乘用車是500公里左右,商用車100公里左右:氫燃料電池系統更適合替代柴油機,鋰離子電池系統更適合替代汽油機。相對于遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸等一些交通方式,燃料電池汽車具有清潔、零排放、續航里程長、加速時間短的特點,是適應市場需求的最佳選擇,所以我們要及時地把產業化重點向燃料電池汽車拓展。