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引领新能源汽车发展!锂电池、氢燃料电池和固态电池,花落谁家?

能源能效(稿源) 2023-3-11 11:11 No.1689

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伴随新能源车的兴起,电池行业经历了一系列的巨变,锂电池、氢燃料电池还有固态电池称为世界电池界的三大主流。而它们谁会成为新能源车的未来?


引领新能源汽车发展!锂电池、氢燃料电池和固态电池,花落谁家?

未来汽车的供能系统,各家公司设计和做法也有所不同。是选择当前市场的主流锂电池,还是谋求更加环保的氢燃料电池,亦或是新兴技术之一的固态电池?各方对此问题展开了激烈的讨论。其中,锂电池、氢燃料电池还有固态电池作为争论的焦点。


引领新能源汽车发展!锂电池、氢燃料电池和固态电池,花落谁家?

从我国电池市场上看,三大电池各有优势。首先,中国见证了锂电池的崛起,也是锂电池的最大受益者,在生产和消费量上都居于世界前列。

而氢燃料电池属于近两年我国发展的重点项目,目前已经被列入“十四五”计划之中,相关的机构正在积极的投资建设相关的基础设施。


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预计到2030年,我国加氢燃料站的数量将会突破3000个。当然我国不是这一领域的唯一者,从世界范围上看,世界发达国家和地区都制定了相应的氢燃料发展计划。因此,我们可以大胆的推断,两者间的竞争赛道已经建立。


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在固态电池竞争上,我们目前还没有研制全固态电池,但是包含比亚迪、宁德时代等一部分中国电池界的巨头,正在积极探索这一领域。从世界范围上看,日产在2023年发布研制成功全固态电池,引起了世界范围内的高度关注。

目前,电池界已经形成了三大主流趋势,当然对于它们谁是新能源车的未来,各界人员也有不同的意见。


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锂电池VS 氢燃料电池

首先,以特斯拉CEO埃隆 · 马斯克为首崇尚锂电池的企业,对氢燃料电池的推广使用公开抨击,说这是“令人难以置信的愚蠢”。

早在2015年,马斯克在某次公开采访中,就表示选择汽车的能量存储,氢燃料是一件非常愚蠢的事情,因为相较于甲烷和丙烷来说,它的制取和存储则费劲得多。


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马斯克这番言论虽然有一定的偏颇性,但是也体现出氢燃料电池的问题所在。和普通锂电池相比,氢燃料电池的能源转化率相对较低。在它放电或者存储电的过程中,它需要经历取氢、分离氧气,而后压缩氢气等一列的操作。


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以太阳能发电为例,由于需要经历这一繁琐的过程,相较于普通的电池存储来说,需要多一倍左右的能量和时间。

这个效率是马斯克及特斯拉最为鄙夷的,自然无法接受。以特斯拉所研发的BEV电池的效率,市面上最好的氢燃料电池,其效率甚至不及BEV电池的一半。


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从市场的技术上看,氢燃料电池起步远远晚于锂电池的发展。

如果想要建立成熟的工业产业链以及相应的基础设施,需要持续发展数十年的时间。当然我们不可否认的是,燃料电池始终是人们研发的重点内容之一,但是氢气所需要的充电基础设施建设,以及如何制备、存储大量的氢气等内容都处于滞后状态。


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而且氢燃料和一般的燃料不同,制备所需的高质量和大型的蓄压器,以及电池所需要的压力罐等相关的设备,都异常的昂贵。因此各国对于氢燃料电池的研究,多停留在实验室阶段,想要大规模的商用,成本就是横亘在大众面前的第一道屏障。


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此外,能源的发展和应用,更多的时候考虑到的不仅是成本,有时候还会考虑污染问题。

目前氢燃料的制备主要以化石能源作为原料的热化学反应,在工业制氢上的应用最为广泛。但是无论是蒸汽转化还是水电解,都可能面临污染的问题。

有反对的声音,当然也会有赞同的声音。对于氢燃料电池,丰田认为未来的市场必然属于燃料电池。作为世界上首屈一指的车企,丰田多年来致力于研究以氢燃料电池作为电动汽车的动力源,它们认为这一操作可以实现零排放的汽车战略。


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而在其推出的mirai新能源汽车上,它们已经将氢燃料电池应用其中。对于丰田的新能源汽车来说,在氢燃料电池的内部就宛若带着一个巨大的发电站,通过增加氢气并利用内部的化学反应,就可以源源不断的获取能量。

因此,它省去了传统电池需要充电弊端,想要获取电力,仅需要添加氢气后进行化学反应即可产电。


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同时,尽管在效率上氢燃料电池略逊色于锂电池,但是其续航能力却是锂电池所无法比拟的。

有人曾经做过一个试验,同样的500公里续航,锂电池需要更长的充电时间,即便是使用超级快充,也需要1个半小时,而氢燃料电池的原料氢气,仅需要3分钟实现续航。同时能量密度上,而这不是一个体量级别,氢燃料电池远远超过了锂电池。


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综合来说,氢电池和锂电池各有好处,不同的企业在这一方面均有涉猎。但是未来谁能取代对方,尚未可知。

但从目前的市场分布上看,新能源汽车中主力仍然是锂电池,甚至在未来很长一段时间里,其依然会充当重要的角色。


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固态电池VS 锂电池

固态电池,被誉为下一代锂电技术的制高点。已经成为各大车企竞争的核心点。从电池界的发展上看,电池的发展经历了液态、凝胶、半固态以及固态四大主要阶段,而在半固态迈入固态这一过程中,有一个准固态的发展阶段。

从整个电池行业发展的方向,随着电池中的液体容量不断的减少,我们的电池安全和性能会综合提升。


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当然,实现全固态对于目前技术水平来说,仍然是探索的阶段,例如我国的宁德时代,比亚迪等电池界的巨头此前已经研制出了固态电池,实际上就是处于准固态阶段,内部仍保留一部分的液体。

但在2023年开年之际,日本的日产公司宣告全固态电池项目成功,预计在未来两到三年的时间可以实现量产,并应用在电动车上。


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需要特别注意的是,锂电池和固态电池均含有一定量的锂材料,因此从材料上看,二者的区别并没有那么的大。

但锂离子电池所采用的是液态电解质,和固态电池相比,其重量更高,安全性较差,使用寿命更短等多种问题。


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单个锂电池本身所含有的能量并不算高,而且需要利用多个电池组串联才能满足日常所需,这让本就质量偏重的锂电池雪上加霜。如果将锂电池应用在电动车上,其整体设计、安装以及制造方面,均可能耗费巨大的成本。


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除却重量方面的优势,固态电池的安全性也更高。液态电解质具有可燃性,因此它在高温状态下,并不稳定,可能引发热失控的问题。

当这一问题发生时,意外也随之到来,轻则起火,重则引发火灾,甚至爆炸,威胁人类生命安全。在低温状态下,电解质溶液可能发生冻结,也影响了电池的整体续航力。

使用寿命上,由于液态电解质具有腐蚀性,在放电和蓄电过程中,可能会侵蚀电池的内部组件,产生晶枝,占用电池容量,破坏电池性能,影响电池的使用寿命。


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而反观固态电池,由于其电解质为固态,通常以玻璃、陶瓷等材料充当电解质,具有高能量密度。

当然这种固态电池和传统锂离子电池具有高度相似性,充放电的原理也大致相同,仅是将内部的液态升级为固态,使得电池体积下降了一个维度。理论上,同体积的液态电池和固态电池,固态电池的容量是液态电池的两倍以上。


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由于体积和重量的下降,同时结构也做了相应的精简,不用考虑锂离子的检测装置的安装,以及相关保温系统。这给汽车底盘留出更大的空间,也给汽车组装提供一定的灵活性。使得车子整体续航能力大增。而充电速度,固态电池内部没有腐蚀性的问题,都使得电池使用的寿命更长。同时,固态电池的稳定性,让他不会发生诸如热失控和低温冻结等问题。


引领新能源汽车发展!锂电池、氢燃料电池和固态电池,花落谁家?

目前,新能源车辆在寒冷地区并不受欢迎,其中主要原因在于冬季寒冷,可能会导致电动车无法使用的问题。而固态电池可以弥补这一问题,进而带动新能源电车的推广和普及,推动世界环保事业的发展。


引领新能源汽车发展!锂电池、氢燃料电池和固态电池,花落谁家?

虽然固态电池的安全性比锂离子电池更高,但是这并不意味着固态电池没有危险。由于技术的限制,全固态电池的生产存在一定的技术难题。市面上大部分的固态电池均含有少部分的液体电解液。

这引起唯固态论的研究者和投资者们不解,在它们印象中,只有全固态的电池才是安全的。

但是研究显示,两者之间并没有绝对的关联性。并且电池中含有少量的液态电解液,并没有对电池的安全性造成太大的问题。


引领新能源汽车发展!锂电池、氢燃料电池和固态电池,花落谁家?

在后续不同场景的测试中,即火灾、内部短路和机械故障三种情况下,液态电池和固态电池的安全情况。在火灾状态,固态电池没有产生热量,液态电池存在放热。二者在内部短路情况下,表现趋同,机械故障中,固态电池可能会释放更多的热量。

实验证明了固态电池虽然安全性更高,但并不意味着没有危险。同时,当前市面上的固态电池多为含有少量液体的固态电池。因此,其安全问题依然突出。


引领新能源汽车发展!锂电池、氢燃料电池和固态电池,花落谁家?

锂电池、氢燃料电池以及固态电池,究竟谁才是新能源车的未来。对于这个答案我们有待后续研究的开展情况。

当然目前市场仍然是锂电池为王,而固态电池的技术问题,以及氢燃料电池的成本和效率问题,需要时间慢慢解决。对此,我们只能说一句,敬请期待!

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