固态锂电池和氢燃料电池的区别有哪些？

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。

 

反观氢燃料电池，其早期的应用可以追溯到阿波罗飞船供电系统，2000年代之后其应用开始在家用发电、新能源汽车领域渗透。由于氢燃料电池系统结构复杂，制造成体积和功率较大的设备较为容易，其在大型设备应用领域更具有天然优势，而微型化、小功率似乎并不是氢燃料电池所擅长的领域。如上图，固态锂电池与氢燃料电池在成本上的差异,决定了其产品应用场景存在一定差异，固态锂电池在短续航车辆、轻型车领域更具有优势，而氢燃料电池在大型车、长续航车辆领域更具优势。可以预见的是，在二者成本低于某一零界点的时，固态锂电成本会更低，高于这一零界点时，燃料电池成本更低。笔者认为，如果氢燃料电池和固态锂电池都能大规模应用于新能源汽车，二者应用领域仍存在一定差异化。

 

从能源效率角度分析，固态锂电池具有更高效率。以目前最为关注的能源使用途径为例，比较使用氢燃料电池和固态锂电池哪一种具有更高能源利用效率。煤制氢是目前所业内比较认可的制氢方案，其热转换效率为75%，而氢燃料电池发电效率理论虽然高达90%，但由于电化学反应存在极化，内部电阻等影响，丰田Mirai的燃料电池效率也仅55%，因此从煤炭到车轮的效率仅41%。在在计算时忽略了氢气压缩消耗能量约20%，储运等过程的能量消耗至少也要占5%，考虑这些过程，预计能量总效率31%左右。

 

通过固态锂电池，煤炭到车轮等效率可达35%，具体分析如下。100MW以上的发电效率基本超过40%，而采用高温超临界技术发电效率接近50%。锂离子电池储电效率约为95%。因此采用固态锂电储电总效率38%，另外电网输配电损失7%左右，扣除损失后，总热效率可达35%。虽然此处分析较为简略，但已经考虑了主要影响方面，这能为我们初步判断提供基本参考。

另外有氢能行业人士认为富余光伏、风电电解制氢是非常有优势的，能够大规模存储氢气。但从能量损耗角度来看，采用储能电池技术的能源效率大大高于电解制氢的效率。笔者认为氢燃料电池发电能源效率低于储能电池技术能源效率。

三、产业链分析

 

产业链专业化分工可作为产业技术成熟度重要判断依据，我们借此来分析两种技术路线发展阶段差异。氢燃料电池上游零部件行业已经基本形成了专业化发展格局，离子交换膜、催化剂、双极板、扩散层、压缩机、储氢罐、电堆集成等均有专业化制造商，其产品均能实现批量生产和供应。

 

固态锂电池核心有正极、负极、固态电解质、电池制造细分市场，正极、负极等均有专业化生产厂商（沿用液态锂离子电池等相关产业），而核心材料固态电解质目前没有专业化制造厂商，固态电解质以固态锂电池制造商主导。电解质的研发和制造以电池制造商主导主要有两方面原因：1、基础材料性能优化需要与下游工艺密切结合，电池制造商主导效率更高；2、产业链处于处于起步阶段，专业化电解质制造公司尚未培育形成。基于以上分析，笔者认为氢燃料电池技术和产业成熟度均高于固态锂电池（但并不能判断10-20年之后氢燃料电池仍然处于领先地位）。