锂电池可开发的最高能量密度大概能达到多少？

锂电池能量密度很低

电动汽车是2010年后才开始走进人们视线的，做电动汽车最好的就是特斯拉了，这是大家公认的，其动力电池为锂电池，电池重量超过一吨，续航大概500公里，锂电池能量密度低是一个非常棘手的问题，并且这个问题是基于化学原理限制产生的，目前不同的锂电池能量密度大概为200Wh/kg，特斯拉最新的锂电池可以做到250Wh/kg，不久后有望突破300Wh/kg，理论预测表明锂电池可开发的最高能量密度大概能达到500Wh/kg，这个能量密度是非常低的。

要知道汽油的能量密度是12000Wh/kg，几乎是现有锂电池的60倍。

我们希望找到一种能量足够强的动力电池，我认为氢燃料电池是一个不错的选择，普通的压缩气罐储存的氢气，150KPa状态下的液氢能量密度大概是40000Wh/kg，几乎是汽油的三倍多，氢燃料电池的实际能量转化效率与内燃机差不多，为40%-50%，如果说同为40升的燃料存储容积，汽油可以让汽车续航500公里，那么氢燃料电池则可以让汽车续航1500公里，可以说这是一款能量非常强劲的动力电池。

氢燃料电池可以成为另一种道路

氢燃料电池和锂电池一样，在汽车端是零排放的，并且氢燃料电池的反应产物为H2O，纯水，事实上我们可以将这些排放的水收集起来存入汽车水箱，用于汽车的自我清洁，或者可以加装一套车载净水装置为车内提供饮用水，解决了日常用水需求，同时可以减少死重的存在，这个质量的一部分就是来源于车本身携带的燃料，不存在双重质量负荷，同时氢燃料电池相对于锂电池的好处在于不用携带氧化剂，因为氧化剂就是氧气，空气中随手可得，汽车只需要携带还原剂即可，也就是液化氢，这一点和汽油车其实是一样的。

从化学物质储量来说，氢元素在地球的存量是非常庞大的，每个水分子中都含有两个氢原子，用海水做原料，或者用淡水做原料几乎都是随手可得的，并且提取的氢气在汽车端又会反应成水，水存量是守恒的，在提取氢的同时，副产物为氧气，氧气也是一种重要的工业原料，其实问题最关键在于，上游制氢技术的问题。

目前上游制氢主要方式并非电解水

具体来看，制氢原料来源最多的是天然气，比重达到48%，其次是醇类，比重为30%。两者对应的制氢方法分别是石化资源制氢和化工原料制氢占比。而原料来源于电解水的比重只占4%，目前采用电解水制氢的方法还很少。而新型制氢法几乎没怎么应用于大规模的制氢。

从上面分析可以得出，全球主流的选择是化石原料制氢和化工原料制氢。之所以如此，主要原因在于化石原料制氢和化工原料制氢的成本较低，具有盈利空间。

通过收集整理不同制氢方法的成本数据，可以发现，制氢成本比较低的有煤气化制氢和天然气制氢，这两种制氢方式相对于石油的市场价格，具有较大利润空间。而甲醇裂解的成本较高，这能解释为什么全球化工原料制氢的比重比化石原料制氢的比重要小。而水电解制氢的成本很高，在国内应用则几乎不可能盈利。

虽然煤气化制氢和天然气制氢可以盈利，在我国可以实现大规模制氢。但是这两种制氢方式需要消耗不可再生的资源，不可持续。并且这两种方法碳排放量高，在煤气化制氢过程中二氧化碳排放量高达193kg/GJ，天然气制氢有69 kg/GJ，不利于环保。而电解水制氢的二氧化碳排放最高不超过30 kg/GJ，对环境的污染低，并且可以持续。

电解水制氢的成本很高，因此，如果要大规模发展电解水制氢，降成本将是首要任务。当前，电解水制氢成本主要来源于固定资产投资、用电成本和固定生产运维成本，其中电价占总成本的77%，电价高是造成电解水成本高的主要原因。要发展电解水制氢就需要降低用电成本。

而查看我国发电构成可以发现，火电仍然是主流，其次水电和风电承载了一部分，其它构成忽略不计，也就是说如果采用电解水制氢法不仅是成本高的问题，同时会造成二次碳排放，因为我国火力发电主要使用的是煤炭，碳排放量很高，其次电解水过程本身也会产生碳排放，因此这种做法是不环保的，这也强化了电解水制氢法目前在我国实施的困难性。

反观日本，电解水制氢法在其国内的占比达到70%以上，不仅仅是日本掌握有较成熟的电解水制氢技术，客观上来讲和其发电构成有一定关系，核电是一种清洁高效的能源，我国核电占比为2%，而日本却达到了29%，事实上，我认为大规模制氢很可能需要依靠大规模的核电，因为，除了电解水制氢法，其它制氢法都会消耗宝贵的不可再生资源，客观上是无法维持大规模制氢的，只有电解水制氢法具备大规模制氢的条件，唯一欠缺的就是清洁而廉价的电能，因此我们将问题的关键寄希望于核电上，目前我国已经掌握第三代核电技术，希望成熟后能够在国内大规模普及，因为我国未来二十年对电力的需求是很高的，火电不环保，火电导致的雾霾问题已经让国人难以承受，而水电，风电，光电的供给量太微薄了，远远支撑不了我国电力供给，而可控核聚变的技术难度太大了，未来几十年都不要寄希望其上，所以核电才是关键。

核动力汽车是个伪命题

其实我一直怀疑“核动力汽车”这个叫法的合理性，更是对“纽扣大小的核电池能够让汽车无限续航”感到无语，因为理论上根本就做不到纽扣大小的核电池，更讽刺的是核电池本身就是个疑问，目前航天上使用的核电池为同位素核电池，使用的是弱相互作用，即靠原子核内部的反射线或粒子产生的热能用热效应硅片产生热电反应进而发电，其实这个发电量是很微弱的，去了解一下月球探测器和火星探测器的行动效率你就知道那个电量有多微弱了，我觉得装一组南孚电池都比核电池强劲，因为目前使用的核电池都是基于弱相互作用的，而我们所期望的那种能量非常强大的核电池其实是基于强相互作用的。

同位素核电池的核能其实是自发产生的，使用的材料为放射性钚238核素，然后使用一组热电半导体装置将热能转化为电能即可，这就是目前核电池的构成。

而强相互作用并非自发产生，它需要高温高压环境才能产生，这个高温高压不是普通的那种概念，数值非常巨大，要实现这样的核能释放，一就是核弹可以做到，二就是可控核裂变可以做到，那么你看看可控核裂变装置多么庞大，就算是小型化的核反应堆，比如核潜艇中的核反应堆那也得重载大卡车才拉得动，并且核潜艇的核反应堆功率算是最弱的了，试想，谁能把这套装置微弱到一个纽扣大小，哪怕是一个小汽车全塞满的大小也做不到，不然飞机早就核动力化了，所以压根就不存在什么核动力汽车的说法，至于那个“纽扣核电池”论，其实人家科学家的原话是说，一颗纽扣大小的核材料通过核反应释放出的能量几乎能够让一辆小汽车使用到报废，所要强调的是核子所蕴含的能量的巨大性，这个完全是合理的，不信你用纽扣大小的体积乘以钚239的密度求得质量，然后用E=MC^2求得能量，单位焦耳，然后一千克汽油为43MJ，40升汽油对于1.5T的汽车大概能跑500公里，你就知道这句话完全不假了，假的是媒体将其理解为纽扣核电池，拜托，那只是核装料，整套装置怎么可能做到纽扣大小，电影里的钢铁侠也做不到啊，所以这群媒体真是为了报道博眼球可以无耻到没有下限，一群文科生来报道这些话题有可读性吗？科技或科学性的话题文科生报道总是闹笑话，媒体消费的是公信力。不请自来，此次事件作为业内利益博弈的产物，也是意料之中，但影响相当恶劣，这种一刀切的做法相当不利于整个电池行业的良性发展。事实上这次事件是针对日韩系三元电池商在中国商用车领域攻城掠地太激进而做出的下马威，但是副作用就是连带把国内以三元电池为主的国产品牌一起收拾了，个人认为这次事件的影响至少要持续到今年下半年。还是那一句话，电池的安全性是系统的，任何从材料本身的安全性为起点认为整个电池系统不安全的论点都是片面的(请问砖家怎么解释我们用汽油这种易燃易爆的燃料在汽车上，为什么用放射性物质做核能发电？)

事实上，我认为未来的汽车不是什么核动力汽车，而是核聚变发电站发电，发来的廉价电力用来电解水制氢，氢气液化后注入汽车供汽车使用，或者人们可以用廉价电力发展出庞大的电化学工业，制备出能量密度更高的清洁燃料供汽车使用，甚至给火箭使用，这个有点夸张了，因为我们对加注一次燃料续航几千公里的汽车的需求并不强烈，因为燃料加注站无处不在，800-1000公里足以。