史上最全| 燃料電池與鋰電池全方位對(duì)比

新能源汽車，電池是關(guān)鍵，也決定了該新能源汽車的類別。在電動(dòng)汽車中，鋰電池是現(xiàn)階段最為成熟、性能較為穩(wěn)定、應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力電池。

隨著燃料電池的不斷發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了初步的共識(shí)，新能源汽車未來將是以鋰電池作為主動(dòng)力電池的新能源汽車和以燃料電池為主動(dòng)力電池新能源汽車共存的局面。

今年7月10日，中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了6月汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)。中國汽車產(chǎn)銷量分別為189.5萬輛和205.6萬輛，同比分別下降17.3%和9.6%，為連續(xù)12個(gè)月銷量下滑。

但在新能源汽車方面， 6月份當(dāng)月純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷分別完成11.3萬輛和12.9萬輛，比上年同期分別增長78.0%和106.7%。

燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成508輛和484輛，比上年同期分別增長9.8倍和14.6倍。

1-6月，純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷分別完成49.3萬輛和49.0萬輛，比上年同期分別增長57.3%和56.6%。

燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1170輛和1102輛，比上年同期分別增長7.2倍和7.8倍。

從以上數(shù)據(jù)及往年各年數(shù)據(jù)可知，新能源汽車成為我國汽車行業(yè)未來的主流是大勢(shì)所趨，那么作為未來兩種新能源主流車核心的兩種動(dòng)力電池，各自有哪些特點(diǎn)以及各方面的性能比較是如何的呢？

鋰電池

鋰電池主要是指在電極材料中使用了鋰元素作為主要活性物質(zhì)的一類電池，主要包括鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類。本文中講的鋰電池主要為鋰離子電池。

鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作，是可以充放電的電池。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)主要包括正極、隔膜、負(fù)極、電解液和電池外殼。

正極：一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料（俗稱三元），純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。

隔膜：為一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。

負(fù)極：一般為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳。

電解液：是電池中離子傳輸?shù)妮d體，一般由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成，主要作用是在鋰電池正、負(fù)極之間傳導(dǎo)鋰離子。

電池外殼：分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，主要用來保護(hù)電池用。

鋰離子電池根據(jù)正極材料分主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰等，目前在車用方面較為成熟的為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，前者的代表是比亞迪，后者為特斯拉。

燃料電池

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。

它是按電化學(xué)原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實(shí)際過程是氧化還原反應(yīng)。

燃料電池主要由三部分組成，電極、電解質(zhì)和外部電路。

燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，主要包括陽極和陰極，厚度一般為200－500mm，其結(jié)構(gòu)與一般電池的平板電極不同為多孔結(jié)構(gòu)，目的是提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度。

電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。

外部電路一般有雙極板構(gòu)成，雙極板具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等作用，其性能主要取決于其材料特性、流場(chǎng)設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。

常用的燃料電池按其電解質(zhì)不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于具有多種性能優(yōu)勢(shì)，包括電池操作溫度低、啟動(dòng)速度快等，是目前應(yīng)用較為成熟和廣泛的燃料電池，在全球出貨量和出貨兆瓦數(shù)方面占據(jù)主導(dǎo)地位。

燃料電池的燃料主要是氫氣、甲醇等碳?xì)浠衔?。本文中的燃料電池主要以氫燃料電池為例進(jìn)行分析。

兩種電池的全方位對(duì)比

同為新能源電池，鋰電池輸入/輸出電能，實(shí)際上是先將輸入的電能儲(chǔ)備起來，待到用時(shí)再通過輸出的裝置輸出電能。

燃料電池其實(shí)相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)燒油，只是能量轉(zhuǎn)化裝置，不是儲(chǔ)能裝置；燃料電池?zé)龤錃?，也是能量轉(zhuǎn)化裝置，不是儲(chǔ)能裝置。

而鋰電池是儲(chǔ)能裝置，所以嚴(yán)格來說，燃料電池不是電池，是發(fā)動(dòng)機(jī)。

因此，燃料電池是發(fā)電裝置，而鋰電池是儲(chǔ)能裝置。下表為兩種動(dòng)力電池的綜合對(duì)比，對(duì)比因素包括綜合性能方面、成本、政策支持、資源約束性、環(huán)境保護(hù)、商業(yè)化程度。

能量密度

能量密度（Energy density）是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小。電池的能量密度是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。

電池的能量密度又分為單體電芯的能量密度和電池系統(tǒng)的能量密度，電池系統(tǒng)的能量密度低于單體電芯。

鋰電池系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，由于受制于鋰元素特性，已目前在鋰電池中能量密度最高的三元鋰電池為例，其單體能量密度也僅為1.08MJ/kg（電池包系統(tǒng)衰減20%）。

未來如果要提升鋰電池的能量密度，需依靠全固態(tài)電池技術(shù)的突破，但其能量密度上限也不高。

燃料電池系統(tǒng)屬于開放性系統(tǒng)，其能量密度實(shí)質(zhì)上取決于儲(chǔ)氫量，氫氣本身的能量密度為143MJ/Kg，而且目前燃料電池系統(tǒng)能量密度超過350wh/kg，未來隨著儲(chǔ)氫技術(shù)的進(jìn)步，能量密度提升仍有非常大的空間。

功率密度

功率密度是動(dòng)力電池最大輸出功率與電池系統(tǒng)質(zhì)量或體積的比值。

鋰電池系統(tǒng)如果提高其輸出功率使其能夠高功率放電，一般解決辦法是增加電池?cái)?shù)量，這樣同時(shí)會(huì)加大整個(gè)電池系統(tǒng)的重量，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。

因此鋰電池系統(tǒng)高功率放電與高續(xù)航里程無法兼容，功率密度提升有限。

燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，一般為了最大提高放電功率只要附加動(dòng)力電池系統(tǒng)即可，如豐田Mirai配套了鎳氫電池。

燃料電池系統(tǒng)作為一個(gè)開放動(dòng)力系統(tǒng)，輸出功率提升容易，附加的電池也不會(huì)增加過多重量，豐田Mirai功率密度達(dá)到了2036W/kg。

安全性

無論搭載鋰電池的純電動(dòng)車還是搭載燃料電池的汽車，只要是汽車那么安全性就是最重要的指標(biāo)。

鋰電池作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，如果單純追求高能量密度，那么整個(gè)鋰電池系統(tǒng)就相當(dāng)于炸彈。

因此現(xiàn)在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性較好，電池溫度達(dá)到500~600度時(shí)才開始分解，基本不需要太多的保護(hù)輔助設(shè)備。

Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250~350度就會(huì)分解，安全性差。

其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)的電池，大幅降低了單個(gè)電池漏液，爆炸帶來的危險(xiǎn)。

但是如果分析特斯拉汽車發(fā)生的事故，要么是輕微的碰撞，要么是靜態(tài)情況，但電池卻著火了，因此其安全性方面還存在很多問題。

燃料電池本身安全性很好，其用于車載后，因此其安全性主要來自于儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

但通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，相比汽油和天然氣這兩種常見的車用可燃?xì)怏w，氫氣的安全性并不差。

而且現(xiàn)在車用儲(chǔ)氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測(cè)試中都可以做到毫發(fā)無損。

即使車禍導(dǎo)致泄露，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。

而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會(huì)迅速向上升起，反而一定程度上保護(hù)了車身和乘客。因此隨著商業(yè)化推進(jìn)，其整體安全性是可控的。

可靠性

電池的可靠性指的是電池發(fā)生事故導(dǎo)致其喪失電能存儲(chǔ)能力的概率。

鋰電池的可靠性與其安全性問題有很大的關(guān)聯(lián)，但是卻不是一個(gè)概念。鋰電池發(fā)生安全性事故，必然將導(dǎo)致其喪失電能存儲(chǔ)能力。

但鋰電喪失電能存儲(chǔ)能力并不都是發(fā)生安全性事故而導(dǎo)致，比如由于容量“跳水”導(dǎo)致的電池失效。

鋰電池系統(tǒng)是由成百上千個(gè)單體電芯通過串并聯(lián)組裝在一起的，因此整個(gè)電池系統(tǒng)的不可靠性將被急劇放大。

從國內(nèi)純電動(dòng)汽車所積累的數(shù)據(jù)來看，鋰電池系統(tǒng)的可靠性目前還不能令人滿意。

而燃料電池從上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)應(yīng)用于航天飛機(jī)，美國國際燃料電池公司（IFC）生產(chǎn)的第三代AFC（標(biāo)稱/極限功率7.0/12.0 KW）后來成為美國航天飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力源。

目前全球正在或者即將服役的常規(guī)潛艇大多采用PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）作為主動(dòng)力電池系統(tǒng)。

俄羅斯、韓國、澳大利亞、以色列和意大利的新型常規(guī)潛艇都采用PEMFC燃料電池技術(shù)，大型PEMFC電堆單純就技術(shù)層面而言已經(jīng)發(fā)展到了高度完善可靠的程度。

因此燃料電池具有極高的可靠性。

環(huán)境溫度適應(yīng)性

由于汽車使用地域的廣泛性，對(duì)于新能源汽車而言，溫度適應(yīng)性就非常重要了，其能適應(yīng)什么樣的溫度范圍則取決于動(dòng)力電池本身。

當(dāng)前，鋰電池在零度以上的生活環(huán)境中性能不會(huì)受到到影響，但是零度以下出現(xiàn)的問題是其急需解決的難題。

鋰電的低溫性能主要取決于溫度對(duì)電極材料的電導(dǎo)、離子擴(kuò)散系數(shù)以及電解液電導(dǎo)率的影響。

低溫下電解液的粘度增大電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電池極化急劇增加。尤其當(dāng)鋰電池在接近零度時(shí)，其性能急劇下降，-20℃幾乎無法正常工作。

而且低溫下頻繁充放電會(huì)嚴(yán)重惡化鋰電池的壽命，并且容易導(dǎo)致負(fù)極析出鋰而帶來安全隱患。

燃料電池在啟動(dòng)以后，由于電池本身的工作原理會(huì)放熱，即使是在很低的環(huán)境溫度下燃料電池電堆的溫度也會(huì)很快穩(wěn)定在80~90℃的正常工作溫度范圍。

豐田和本田公司的燃料電池汽車已經(jīng)做到了-30℃啟動(dòng)，但是對(duì)于燃料電池而言，仍然需要繼續(xù)提高其在低溫下的性能，-40℃是未來的主要目標(biāo)。

相關(guān)成本

動(dòng)力電池涉及到了方方面面的成本，包括消耗成本、電池本身的成本和基礎(chǔ)設(shè)施成本。

·鋰電池方面

鋰電池消耗的是電，其成本主要是電費(fèi)，鋰電池汽車一般百公里耗電量約為17度，按照電價(jià)按照0.5元（家庭充電）~2.2元/度電（商用）來計(jì)算，其消耗成本為8.5~37.4元/百公里。

鋰電池本身的成本價(jià)格，根據(jù)相關(guān)資料計(jì)算，其價(jià)格在8~9元/kwh左右。

鋰電池車用的基礎(chǔ)設(shè)施主要為充電站，目前單個(gè)充電站基礎(chǔ)設(shè)施和配電設(shè)施投資在430萬元左右。

·燃料電池方面

燃料電池消耗的是氫氣，消耗成本即為氫氣消耗量的價(jià)格。

當(dāng)前我國已商業(yè)化的加氫站氫氣銷售價(jià)格在30~120元/公斤之間（上海驛藍(lán)加氫站氫氣價(jià)格為40~45元/公斤），按照乘用車一公斤氫氣續(xù)航100公里計(jì)算，其成本為30-120元/百公里。

燃料電池本身的成本跟產(chǎn)量有關(guān)，由于國外燃料電池汽車相對(duì)國內(nèi)較為成熟，因此成本相對(duì)較低。

根據(jù)相關(guān)資料計(jì)算，國外當(dāng)燃料電池產(chǎn)量達(dá)到50萬臺(tái)時(shí)其成本可以降至40美元/kW，當(dāng)前國內(nèi)由于產(chǎn)量小，電池成本在1~1.5萬/kw之間。

燃料電池車用的基礎(chǔ)設(shè)施為加氫站，加氫站的建設(shè)成本跟其加氫能力有關(guān)，一般來說，加氫能力越大，加氫站整體投資價(jià)格越高。

根據(jù)公開資料顯示，國內(nèi)500kg/d供氫能力的加氫站的投資規(guī)模在1200~1800萬之間。

其中南海瑞暉加氫站成本1550萬元，佛羅路加氫站成本1250萬元，瀚藍(lán)松崗禪炭路加氫站成本為2985萬元。

當(dāng)前我國加氫站建設(shè)價(jià)格最高的為上海驛藍(lán)金山加氫站，此加氫站也為目前全球規(guī)模最大的加氫站，總投資額5500萬元。

政策支持

無論鋰電池汽車還是燃料電池汽車，由于其各方面高額的成本，前期發(fā)展均需要國家的大力支持。

2019年3月26日，財(cái)政部、工業(yè)和信息化部、科技部和發(fā)展改革委四部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》。

重點(diǎn)內(nèi)容包括：

1、國補(bǔ)力度大幅退坡，補(bǔ)貼基數(shù)綜合下降程度超50%；

2、2019年3月26日至2019年6月25日為過渡期，期間按2018年補(bǔ)貼的0.1倍和0.6倍進(jìn)行補(bǔ)貼；

3、過渡期后地補(bǔ)取消，轉(zhuǎn)為支持充電（加氫）等配套設(shè)施；

4、電池技術(shù)要求更高，但調(diào)整系數(shù)下修。

該政策中與燃料電池相關(guān)的有：

1、3月26日—6月25日為過渡期，期間銷售上牌的燃料電池汽車按2018年對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的0.8倍補(bǔ)貼；

2、燃料電池汽車和新能源公交車補(bǔ)貼政策另行公布；

3、地方補(bǔ)貼需支持加氫基礎(chǔ)設(shè)施“短板”建設(shè)和配套運(yùn)營服務(wù)；

4、延續(xù)2018年預(yù)撥資金政策，從2019年開始有運(yùn)營里程要求的車輛完成銷售上牌后即預(yù)撥一部分補(bǔ)貼資金。

而且最近工信部正聯(lián)合其他部委，醞釀研究針對(duì)燃料電池的新補(bǔ)貼政策。據(jù)了解，相關(guān)補(bǔ)貼思路并不是像之前那樣補(bǔ)到整車廠，而是考慮補(bǔ)貼生產(chǎn)核心部件的廠家。

從以上可以看出，純電動(dòng)的補(bǔ)貼在逐步下滑，燃料電池方面補(bǔ)貼力度仍然較大，而且從最近政策動(dòng)態(tài)看，國家非常重視燃料電池汽車的發(fā)展將使其逐步走向正規(guī)。

資源約束

對(duì)于鋰電池而言，資源來源主要是鋰礦石，鋰的全球儲(chǔ)量是1400萬噸， 2017年以電動(dòng)車為主的鋰消耗量約23萬噸。

隨著全世界新能源純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，假設(shè)2020年全球新能源汽車銷量達(dá)到500萬輛，全球鋰資源折合為碳酸鋰當(dāng)量其需求將達(dá)到46.6萬噸。

隨著鋰資源的緊缺，其價(jià)格也將水漲船高，也將是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的隱性因素，因此未來鋰資源量很難支撐電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。

燃料電池在資源方面的約束主要是鉑金。鉑金被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、首飾及投資領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉑金在汽車催化劑領(lǐng)域的應(yīng)用比例最高，占到總需求的37~41%，是鉑金第一大消耗應(yīng)用。

燃料電池的催化劑要用到貴金屬鉑，市場(chǎng)普遍擔(dān)心其資源約束。

目前每輛氫燃料電池汽車鉑的使用量為20克~30克，豐田Mirai單車鉑消耗量約為20g，隨著技術(shù)的進(jìn)步，鉑金作為燃料電池催化劑用量近些年在不斷下降。

豐田計(jì)劃在未來將鉑單耗降低75%，并實(shí)現(xiàn)催化劑的鉑回收。因此未來鉑金對(duì)于燃料電池的發(fā)展不會(huì)產(chǎn)生阻礙。

環(huán)境保護(hù)

鋰電池的原料為電力，目前我國電力結(jié)構(gòu)中仍然以煤電為主，煤電近些年通過改造在污染排放方面取得了非常大的進(jìn)步，但仍無法做到零排放、零污染，因此鋰電池的使用從一定程度上來講是有一定的污染性的。

燃料電池的原料為氫氣，氫氣的制取路線眾多，隨著未來燃料電池汽車的發(fā)展，我國又是可再生能源第一大國，未來氫氣將基本由可能生能源來制取，因此可以說是真正的零污染、零排放。

商業(yè)化程度

鋰電池在我國以及全世界范圍內(nèi)的應(yīng)用非常成熟。在車用方面，電動(dòng)車從2013~2015年是從0到1的過程，從2016~2018年實(shí)現(xiàn)了從1到10，電動(dòng)汽車銷量不斷攀升，目前產(chǎn)業(yè)鏈非常成熟，已經(jīng)完全的實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

燃料電池目前無論是車用還是其他應(yīng)用方面均不是非常成熟，燃料電池作為車用是我國以及全世界首要的應(yīng)用方向。

2018年全年我國燃料電池汽車產(chǎn)銷僅完成1527輛，但是2019年1-6月份，燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1170輛和1102輛，比上年同期分別增長7.2倍和7.8倍，發(fā)展非常迅速。

但是由于燃料電池本身存在成本較高、基礎(chǔ)設(shè)施不完善等因素，燃料電池應(yīng)用最成熟的日本也未能實(shí)現(xiàn)完全的商業(yè)化，我國更是處于商業(yè)化的初期。

總 結(jié)

鋰電池和燃料電池，兩者在性能、制造、成本、應(yīng)用等方面都既有優(yōu)勢(shì)又有缺陷，在不同場(chǎng)景下使用不同的汽車，可以使我國的新能源汽車布局更加合理完善。

通過兩種電池的特性可以得知，純電動(dòng)更加符合短途，目前產(chǎn)業(yè)鏈配套發(fā)展也較為成熟，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，主流地位難以被撼動(dòng)。

而燃料電池車會(huì)在長續(xù)航里程需求迫切、能夠集中使用加氫站的客車、重卡甚至船舶、軍工等領(lǐng)域獲得一席之地。