氢燃料电池和固态锂电池相比哪个性能更好？

2018年国内电动车市场渗透率大幅提高，市场对电动汽车的续航里程短、电池着火、电池寿命短等问题也不断提出质疑。这让电车产业陷入了技术提升速度跟不上产业发展的尴尬境地。丰田的燃料电池汽车量产，使市场焦点聚焦到了燃料电池技术路线。另外，固态锂电池具有高安全、高能量密度特征，也开始受到市场关注。究竟哪一个技术路线代表新能源汽车的未来？本文客观分析这两项技术优劣势，为预测未来新能源汽车发展技术路线提供依据。

 

需要说明的是，本文讨论的燃料电池仅仅指氢燃料电池。讨论范围主要限于氢燃料电池及固态锂电池主要基于以下原因：1、目前液态锂离子电池已经大规模应用于新能源汽车，固态锂电池属于液态锂电体系升级版本，未来在新能源汽车领域有大规模应用可能性；2、氢燃料电池已经在新能源汽车领域有一定应用，大多数新能源厂商也主推氢燃料电池。

 

接下来，本文从产品基本结构、产品特性和产业链三个角度展开讨论：

 

 

 

一、 产品基本结构分析

 

锂电池技术发展较早，1991年索尼第一个将锂电池商品化，随着技术不断进步，已经发展成为目前大规模应用于电子产品和电动车的液态锂离子电池体系。固态锂电池是在对传统液态锂离子体系进行大幅改进之后的产品。如下为二者结构差异。

 

 

 

固态锂电池采用固体电解质，不需要隔离膜，且可应用高电压正极材料（液态锂离子电池难以应用），负极以金属锂替代石墨，其能量密度可以大幅提升。固态锂电池没有有机液体，其安全性能大幅提升。总体来看，固态锂电池需要基础材料重大创新和工艺技术持续优化，才能逐步达到稳定应用水平，并逐步取代现有液态锂离子电池。

 

 

氢燃料电池技术与锂电池技术存在较大差异，其系统结构复杂性较锂电池体系更高。以上讨论的锂电池体系基本模型结构均为可逆电化学池结构，其系统为封闭系统，不需要大量额外控制系统、辅助系统。氢燃料电池核心是氢氧反应电化学池，但其系统控制过程更为复杂。作为一个开放系统，氢燃料电池需要控制氢气、空气、热量等，因此其控制难度远远超过锂离子电池。如下图为氢燃料电池系统简要结构，其包括氢气存储系统、氢气供应系统、热管理系统、空气供应系统、电堆反应系统及一些辅助系统。氢气供应系统、热管理系统、空气供应系统可以借用现有技术持续改进和优化升级，技术难度相对较低。氢气存储系统、电堆系统则需要基础材料如耐压材料、催化剂等重大创新和工艺技术持续优化。

 

 

从基础技术层面来看，固态锂电池、氢燃料电池均需要在关键基础材料方面进行重大创新，而基础材料的创新是难度极大，相关材料的开发时间周期很长。因此，固态锂电池和氢燃料电池在基础技术层面属于同等级难度。

 

 

 

二、产品特性比较

 

产品的基本结构和特征决定了产品性能、应用领域，技术水平决定了其现有应用情况。我们以目前液态锂离子电池作为基本参考，与固态锂电池、氢燃料电池进行对比。目前液态锂离子电池已经较为成熟，主要缺点为续航和安全性。固态锂电池技术尚不成熟，使用寿命不足，能量密度优势尚未体现。氢燃料电池应用不及液态锂离子电池广泛，但目前标杆企业产品性能已经非常好，完全能够满足车用要求，其续航里程有了大幅提升，在安全性方面也有较好保障。

 

 

在安全性方面，液态锂电池具有本征不安全性，内部缺陷及滥用均可能导致起火、爆炸，众多手机爆炸、电动车起火等事件可以验证。固态锂电池在汽车应用不多，没有足够的样本加以验证，但基础试验证实其安全性大大优于液态锂电池，其基础结构能反映其安全性优于液态锂离子电池（主要基于两点：1、固体电解质化学性质稳定、不易挥发、不易燃烧、不存在SEI等不稳定成分；2、固体电解质在电池内部短路时会受热膨胀，使短路点分开，同时高温会使电解质失效，切断锂离子通路）。

 

 

氢燃料电池本征不安全主要体现在高压氢气，高压氢气系统失效和滥用，均可能导致安全问题，目前高压氢气使用过程中已经出现一些安全事故。笔者认为氢燃料电池安全性优于液态锂离子电池：高压氢气具有较高能量，它与电化学反应系统（电堆）是分开的，因此在反应失效时，可以通过各种手段停止供应氢气，剧烈的化学反应即被阻断，避免爆炸危险。液态锂离子电池能量载体和电化学反应器是合二为一的，一旦电化学反应器破坏，剧烈的化学反应将难以阻止，大概率会发生爆炸、起火。单独的高压氢气，需要泄露及明火条件，才可能发生爆炸。高压氢气属于危化品范畴，但通过有效的管控措施，高压氢气安全性可以得到有效保障。

 

另外在基础设施配套方面，存在较大差异。电网如同毛细血管一样覆盖了全球经济活跃区域，电网基本随处可达，目前国内已经安装了近20万根公共充电桩，主要集中在大中城市。另外大多数电动车车主配有便携式充电桩，其数量远超20万。中小功率充电桩价格数千元，即使大功率充电桩价格也仅仅数万元，因此其价格不能构成构成充电桩建设的障碍。加氢站建设，若采取氢气管网输送，管网建设将是一项浩大工程，若采取车辆运送，需要投入大量专用车辆进行运输，且需要特殊安全监管。另外一座小型加氢站，设备投入成本至少数百万元。若采取分布式电解制氢，一方面设备投入成本将远远超过同规模充电站成本，且氢气使用成本将大幅高于直接充电（后面将加以说明）。总体来看，氢燃料电池基础设施建设难度远远大于充电设施建设，基础设施建设也是氢燃料电池汽车发展主要障碍之一。

 

在电池系统成本方面，氢燃料电池与固态锂电池存在较大差异。为了便于比较、简化分析，以固态锂电池和氢燃料电池目前市场应用情况进行比较。固态锂电池并非新兴技术，早在2000年代，多家企业已经研发出微型固态锂电池。由于其结构简单，安全可靠，其在有源芯片，微型医疗设备、消费电子领域有广泛应用。如Cymbet成立如2000年，其主要产品为固态锂电池广泛应用于微型芯片、医用设备、消费电子等领域。获得软银资本投资的台湾辉能科技主要产品仍然面向特殊类型消费类电子产品（目前正在尝试向电动汽车等大型设备领域扩张）。最近几年多家厂商开始加速布局车用固态锂电池，而早期的应用集中在小型甚至微型设备领域，固态锂电池因结构简单，在小型设备领域具有天然优势。