下半場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)從電池開(kāi)始

當(dāng)新能源汽車能夠在性能上完全取代燃油車，相信不需要舉起環(huán)保的旗幟，也會(huì)有很多人購(gòu)買它。決定燃油車盛行的因素是發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，決定新能源汽車能否取代傳統(tǒng)汽車的，是新能源汽車的續(xù)航能力。

純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的增長(zhǎng)有目共睹。兩年時(shí)間，就已經(jīng)從開(kāi)始時(shí)一二百公里的續(xù)航里程攀升至現(xiàn)在動(dòng)輒600公里。只不過(guò)，到目前為止這一速度和鋰電池性能未能完全滿足消費(fèi)者的全部需要，痛點(diǎn)未被日益增長(zhǎng)的續(xù)航里程消化掉，相反，人們對(duì)于純電動(dòng)車的要求正日益趨近鋰電池性能極限。

一方面是消費(fèi)者對(duì)于新能源汽車更安全、續(xù)航里程更高、充電更快的需求，另一方面，是鋰電池的性能局限。兩方博弈催生出兩種方向：要么，突破電池極限；要么，找尋另一種替代能源。

固態(tài)電池：電池的新希望

2016年12月，英國(guó)頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Energy and Environmental Science》（《能源與環(huán)境科學(xué)》）刊發(fā)了一篇名為《Alternative strategy for a safe rechargeable battery》（《安全充電電池的替代策略》）的論文，

這篇論文的第四作者，就是被稱為“鋰電池之父”的約翰·古迪納夫教授。他在1991年與索尼公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)商用可充電鋰離子電池，所以這篇文章一經(jīng)發(fā)布，就引起了新能源領(lǐng)域的重視。

文章稱，發(fā)明了一種快速充電的低成本全固態(tài)電池，它具備不易燃燒、體積能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。這種鋰電池能夠在1200次充放電之后僅有非常小的損耗，且能在-20度至60度的環(huán)境中正常工作。

固態(tài)電池還有一個(gè)充滿吸引力的名字——下一代鋰電池技術(shù)，它完美阻擊了當(dāng)下鋰電池的所有痛點(diǎn)，也觸動(dòng)了新能源汽車企業(yè)在鋰電池性能方面敏感的神經(jīng)。雖然在一年之后，該文章的成果受到學(xué)術(shù)界質(zhì)疑，有學(xué)者提出古迪納夫提出的反應(yīng)機(jī)理是錯(cuò)誤的，認(rèn)為“從熱力學(xué)的角度這顯然是不可能發(fā)生的”。由于人們對(duì)于鋰電池性能提升的渴望，仍然促使眾多汽車制造企業(yè)以及動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)紛紛投入其中。

固態(tài)電池相較于使用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，優(yōu)勢(shì)明顯：能量密度優(yōu)于三元鋰電池、安全性更強(qiáng)。

固態(tài)電池單體能量密度在實(shí)驗(yàn)室階段可以達(dá)到430Wh/kg，中期測(cè)試可以達(dá)到375 Wh/kg，量產(chǎn)階段達(dá)到300 Wh/kg的鋰離子電池天花板，可以說(shuō)是非常輕松；而鋰離子電池的能量終點(diǎn)，也是固態(tài)電池的起點(diǎn)。

目前普通鋰離電池的安全性的影響因素主要有：一是電極材料特性，例如大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞；二是電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇。

固態(tài)電池的性質(zhì)可以很好地解決以上問(wèn)題，將電池的工作溫度從現(xiàn)在普遍的40度極限提升至更高。

這些優(yōu)點(diǎn)都吸引了一眾汽車生產(chǎn)企業(yè)以及動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)，紛紛投入巨額資金，想要讓這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。

豐田、寶馬等車企都是固態(tài)電池的支持者。豐田在2014年拿出體積能量密度達(dá)到400Wh/L的實(shí)驗(yàn)室原型制品，并表示2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。2017年，豐田還與動(dòng)力電池供應(yīng)商松下達(dá)成協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)方形固態(tài)電池；寶馬則投資2億歐元打造電芯研發(fā)中心，開(kāi)發(fā)包括固態(tài)電池在內(nèi)的多種新型電池；韓國(guó)三大蓄電池生產(chǎn)商——LG化學(xué)、三星SDI、SK創(chuàng)新2018年11月宣布攜手研發(fā)電池技術(shù)，成立1000億韓元基金，研發(fā)包括固態(tài)電池、鋰金屬電池和鋰硫電池在內(nèi)的下一代電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；而寧德時(shí)代、比亞迪這類動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)也不得不抓住這一趨勢(shì)。

最新進(jìn)展是，三星研發(fā)的全固態(tài)電池將電池能量密度提至900Wh/L，同時(shí)體積比同樣容量傳統(tǒng)鋰離子電池縮小50%。三星對(duì)全固態(tài)電池的預(yù)期是率先用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，原型產(chǎn)品單次充電可達(dá)到800公里續(xù)航，循環(huán)次數(shù)高達(dá)1000次。

如果有能夠?qū)崿F(xiàn)鋰電池性能突破的技術(shù)，相信企業(yè)一定會(huì)以最快的速度跟進(jìn)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，畢竟這意味著在新能源領(lǐng)域的重要先機(jī)：一方面是性能仍不滿足大規(guī)模商業(yè)化的需要，另一方面就是無(wú)法與成本達(dá)成和解。

三元鋰電池采用液態(tài)電解質(zhì)，這種材料可以使電解質(zhì)與電極的接觸面積更大，從而達(dá)到較快的傳輸速度。固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)與電極材料接觸面積小，自然導(dǎo)致傳輸速度下降。能量的傳輸分為向內(nèi)和向外，傳輸速度不僅影響放電效率，充電效率也會(huì)大打折扣，更別提所謂的快充。

這就好比，原本鋰離子在水（液態(tài)電解質(zhì)）里游泳，到了固態(tài)電池這里，就好像在水泥地上游泳，速度自然就下降很多。

一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向量產(chǎn)，之間還有一項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題，就是成本。因?yàn)榧夹g(shù)問(wèn)題，固態(tài)電池的生產(chǎn)效率很低，單位生產(chǎn)成本可達(dá)到三元鋰電池的幾十倍。固態(tài)電池車不是頂級(jí)超跑，要想成為主流，至少能夠普遍應(yīng)用在大眾化車型上，價(jià)格問(wèn)題是從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道門。

《中國(guó)制造2025》中明確規(guī)定：2020年，電池能量密度要達(dá)到300Wh/kg；2025年要達(dá)到400Wh/kg；2030年達(dá)到500Wh/kg。這一目標(biāo)已經(jīng)超越了液態(tài)鋰離子電池的極限，而固態(tài)電池或?qū)⑹峭瓿蛇@一任務(wù)的希望。

誠(chéng)然，不少汽車制造企業(yè)計(jì)劃在2020-2030年推出可量產(chǎn)固態(tài)電池，甚至于全固態(tài)電池，但針對(duì)固態(tài)電池，學(xué)術(shù)界有這樣一種聲音：“單純的氧化物基固態(tài)電池還處于非常早期的研究階段。”動(dòng)力電池的增長(zhǎng)需求與鋰離子電池能夠達(dá)到的最大輸出效果之間的矛盾，使得固態(tài)電池成為未來(lái)的一個(gè)方向。

氫能源：另一種選擇

即使現(xiàn)階段三元鋰電池占據(jù)主流，但并不意味著通往零排放目標(biāo)的道路只有一條。除了電動(dòng)車，最為主流的當(dāng)數(shù)氫燃料電池車。

氫能源被很多人譽(yù)為新世紀(jì)的終極能源，氫作為地球上儲(chǔ)量最大的能源之一，幾乎是取之不盡的。它在使用過(guò)程中具有清潔性，眾所周知的是，氫燃料電池車的工作原理就是通過(guò)氫與氧的加熱接觸，產(chǎn)生能量，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)，同時(shí)水是這一過(guò)程中惟一的“排放物”。中間沒(méi)有產(chǎn)生任何對(duì)環(huán)境有害的成分，它被稱為新能源汽車的終極形態(tài)，不是沒(méi)有原因。

氫能源是日韓企業(yè)推開(kāi)的一扇窗，其中最有代表性的產(chǎn)品——豐田的MIRAI、現(xiàn)代的NEXO都已進(jìn)入量產(chǎn)階段。前不久，成立5年的氫燃料重卡制造初創(chuàng)公司尼古拉（Nikola）宣布將在納斯達(dá)克上市，這意味著全球首個(gè)IPO的氫燃料整車制造企業(yè)將正式誕生。

既然氫燃料電池車如此美好，為什么推廣起來(lái)存在困難？

首先，它不是完全“無(wú)污染”。從整條生產(chǎn)鏈來(lái)看，氫燃料電池車與電動(dòng)車一樣都存在污染轉(zhuǎn)嫁的問(wèn)題。紀(jì)錄片《誰(shuí)殺死了電動(dòng)車》就從成本的角度講述了一些氫燃料電池車的問(wèn)題。氫氣生產(chǎn)的價(jià)格要高于油，而電的價(jià)格（僅就汽車行駛相同里程而言）只相當(dāng)于油的15%甚至更低。這樣對(duì)比之下，氫氣并沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。算上加氫站的建設(shè)成本，價(jià)格自然更加水漲船高。所以，豐田要想推廣Mirai也得依靠政府高額補(bǔ)貼。

其次，它對(duì)于配套設(shè)施的要求要高于電動(dòng)車。在國(guó)內(nèi)，電動(dòng)車的快速發(fā)展，背后有國(guó)家電網(wǎng)提供電力支持，配套設(shè)施幾乎只有充電樁而已；但氫能源不同，一個(gè)氫燃料電池車的推廣需要從制氫、運(yùn)氫、加氫站等一系列設(shè)施建設(shè)做起，才能保證這樣的一輛車在道路上暢通無(wú)阻地馳騁。

雖然中國(guó)在整車、氫燃料電池系統(tǒng)及上下游產(chǎn)業(yè)均有布局，但在零部件方面，很多都需要依賴進(jìn)口，尤其是最基本的關(guān)鍵材料和部件，如質(zhì)子交換膜、催化劑等大部分關(guān)鍵零部件及關(guān)鍵材料

無(wú)法像電動(dòng)車一樣，既可建立自身優(yōu)勢(shì)，又可借助國(guó)家電網(wǎng)資源，迅速推廣配套設(shè)施的建設(shè)。這直接導(dǎo)致了氫能源汽車在實(shí)行上面臨很多問(wèn)題。

最后，成本仍然是阻礙推廣的另一道關(guān)隘。一個(gè)加氫站的建設(shè)成本大概在2000萬(wàn)人民幣，相同車型應(yīng)用氫燃料電池技術(shù)的，價(jià)格也要高于普通車型。當(dāng)然，成本可以通過(guò)數(shù)量擴(kuò)大而分?jǐn)偅鸩竭f減。前提是，要有足夠的氫燃料電池車的使用者。

清華大學(xué)發(fā)布一份報(bào)告曾預(yù)計(jì)，中國(guó)氫能及氫燃料電池車將會(huì)在2025年迎來(lái)發(fā)展拐點(diǎn)。 目前，中國(guó)已經(jīng)在商用、運(yùn)輸領(lǐng)域開(kāi)展了氫能源技術(shù)的研發(fā)和試制，國(guó)家政策已經(jīng)將氫能源提升到能源戰(zhàn)略的高度，要求各地推動(dòng)充電、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；而國(guó)家相關(guān)部委也在諸多科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中將氫能源和燃料電池汽車列為重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。日前，上汽旗下的燃料電池項(xiàng)目，在上海正式啟動(dòng)，計(jì)劃2021年實(shí)現(xiàn)12000臺(tái)套燃料電池電堆和系統(tǒng)的產(chǎn)能。與此同時(shí)，奇瑞汽車在氫燃料電池汽車領(lǐng)域也有了新動(dòng)作。

對(duì)于中國(guó)這種重度石油對(duì)外依賴的國(guó)家，氫能源的確是一個(gè)值得選擇的未來(lái)產(chǎn)業(yè)。當(dāng)然，技術(shù)的積累是必不可少的。

當(dāng)新能源汽車能夠在性能上完全取代燃油車，相信不需要舉起環(huán)保的旗幟，也會(huì)有很多人購(gòu)買它。決定燃油車盛行的因素是發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，決定新能源汽車能否取代傳統(tǒng)汽車的，是新能源的性能。