鋰電池與燃料電池的”螺旋式“發(fā)展

摘要

其實(shí)，了解化學(xué)電源發(fā)展歷史的讀者都應(yīng)該明白，二次電池和燃料電池在過(guò)去的幾十年里都沒(méi)有真正“冷”過(guò)，只是重視的程度不同罷了。它們都是幾經(jīng)沉浮，你方唱罷我方登場(chǎng)，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)就是這么螺旋似地發(fā)展起來(lái)的。

純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源探討: 鋰離子電池VS 燃料電池（一）

新能源汽車(chē)是近些年在國(guó)內(nèi)發(fā)展起來(lái)的新興產(chǎn)業(yè)，2009年元月科技部、財(cái)政部、發(fā)改委、工信部聯(lián)合啟動(dòng)了“十城千輛節(jié)能與新能源汽車(chē)示范推廣應(yīng)用工程”，標(biāo)志著新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略。2012年，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，規(guī)劃對(duì)節(jié)能車(chē)、新能源車(chē)進(jìn)行了定義，并確定了實(shí)現(xiàn)的路徑與目標(biāo)。該規(guī)劃明確了我國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展將以鋰離子電池純電動(dòng)汽車(chē)（LIB-EV）為主要方向。

最近幾年，鋰離子電池純電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)已經(jīng)成為新能源汽車(chē)的主流路線，當(dāng)前我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池是乘用車(chē)以三元?jiǎng)恿﹄姵貫橹鞫逃密?chē)主要采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的基本格局。而作為全球電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)頭羊的日本，在電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)路線上與我國(guó)并不一致。2014年12月，全球第一大汽車(chē)公司豐田汽車(chē)（Toyota）正式推出了全球首款量產(chǎn)型燃料電池電動(dòng)汽車(chē)Mirai，這款車(chē)在日本的售價(jià)為723.6萬(wàn)日元（折合人民幣38.3萬(wàn)元，補(bǔ)貼售價(jià)為27.5萬(wàn)元）。緊跟其后，本田汽車(chē)（Honda）也在2015年下半年發(fā)布了其新一代燃料電池汽車(chē)FCV Clarity。其實(shí)早在02014年5月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省就發(fā)布了《氫燃料電池車(chē)普及促進(jìn)策略》，從而制定了日本國(guó)內(nèi)氫燃料電池車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

之后，日本政府在《實(shí)現(xiàn)氫社會(huì)政策建言》的議案中，提出了具體的氫燃料電池車(chē)普及目標(biāo)及政策支持方案。此外，日本日產(chǎn)（Nissan）、韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)（Hyundai）、美國(guó)通用汽車(chē)（GM）、德國(guó)寶馬（BMW）、奔馳（Diemer-Benz）大眾（VW）也都在近兩年陸續(xù)發(fā)布了各自的燃料電池電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃與樣車(chē)。

我們可以看到，中國(guó)與日本（實(shí)際上也包括韓國(guó)和歐美主流車(chē)企）在純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展方向上選擇了不同的技術(shù)路線。兩田（Toyota和Honda）燃料電池電動(dòng)汽車(chē)量產(chǎn)的消息在國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)界引發(fā)了激烈的討論并且形成了兩種觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為日本汽車(chē)界在純電動(dòng)汽車(chē)上走燃料電池路線是錯(cuò)誤（路線錯(cuò)誤論），例子就是當(dāng)前國(guó)際上火熱的美國(guó)Tesla純電動(dòng)汽車(chē)。而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，日本發(fā)展燃料電池汽車(chē)更多的是為了其軍工產(chǎn)業(yè)服務(wù)，并且誤導(dǎo)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展方向（陰謀論）。

這些不同觀點(diǎn)暫且放下，面對(duì)Toyota和Honda燃料電池汽車(chē)小批量商業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)，我們當(dāng)下首先需要認(rèn)真思考的是為什么中國(guó)和日本在發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)方面選擇了不同的技術(shù)路線？或者說(shuō)鋰離子電池和燃料電池到底哪種動(dòng)力系統(tǒng)更加合適純電動(dòng)汽車(chē)？不管是鋰離子電池（Li-ion battery， LIB）還是質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC），都是非常專業(yè)高深的高科技領(lǐng)域，涉及到多學(xué)科的綜合。

筆者對(duì)這兩種化學(xué)電源體系都有相當(dāng)?shù)牧私?，本文中筆者將拋開(kāi)深?yuàn)W的電化學(xué)、固體化學(xué)以及電催化方面的科學(xué)原理，站在宏觀的角度深入淺出地從多個(gè)方面對(duì)這兩種化學(xué)電源體系進(jìn)行分析比較，希望能夠在純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源的問(wèn)題上給廣大讀者提供一些不同的視野和角度。

對(duì)這兩種動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行比較分析之前，我們首先要認(rèn)識(shí)LIB和PEMFC最本質(zhì)的特征，這樣才能理解這兩種化學(xué)電源各自的適用領(lǐng)域。從根本上而言，二次電池是一種能量存儲(chǔ)裝置，通過(guò)可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。衡量二次電池存儲(chǔ)電能能力的基本指標(biāo)是能量密度（Wh/Kg 或者Wh/L）。

而燃料電池則是一種電能生產(chǎn)裝置，它通過(guò)電催化反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來(lái)。雖然燃料電池也叫“電池”（中文翻譯的原因），但是它的基本工作模式卻與內(nèi)燃機(jī)有些相似，跟常規(guī)二次電池有著本質(zhì)上的區(qū)別。衡量燃料電池電能生產(chǎn)能力的基本指標(biāo)是功率密度（W/Kg 或者W/L）。

這兩種電化學(xué)電源體系工作方式上的本質(zhì)不同，將直接決定它們?cè)趹?yīng)用層面上的不同定位，筆者在后面將會(huì)詳細(xì)展開(kāi)討論。

1. 鋰離子電池和燃料電池的研究與發(fā)展歷程

在比較分析鋰離子電池（LIB）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景之前，我們有必要簡(jiǎn)單回顧一下兩者的發(fā)展歷程，這樣讀者就可以對(duì)兩者有更加直觀的認(rèn)識(shí)。如果我們仔細(xì)分析過(guò)去20年里，歐盟（EU）和美國(guó)能源部（DOE）在鋰電和燃料電池領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)政策方面的變化，就可以很清楚地看到，鋰電和燃料電池其實(shí)是一對(duì)不折不扣的“歡喜冤家”。

其實(shí)在十九世紀(jì)末期，汽車(chē)最早就是從電池車(chē)發(fā)展起來(lái)的，鉛酸電池車(chē)的產(chǎn)量在二十世紀(jì)初期達(dá)到了頂峰。但是，隨著1908年福特創(chuàng)新性地采用流水線批量生產(chǎn)T型車(chē)（大幅降低成本），以及1912年汽油車(chē)電打火啟動(dòng)的出現(xiàn)（使用更加便捷），則對(duì)鉛酸電池車(chē)造成了致命打擊，電動(dòng)車(chē)從此退出了歷史舞臺(tái)。直到上世紀(jì)末由于高能化學(xué)電源（二次電池和燃料電池）的技術(shù)進(jìn)步，電動(dòng)汽車(chē)才再度引起重視。

國(guó)際上第一輪燃料電池的研究熱潮發(fā)生在上世紀(jì)七十年代，由于美國(guó)航天事業(yè)的需求而帶動(dòng)了堿性燃料電池(AFC)的實(shí)用化，后來(lái)GM還制造出了全球首輛AFC燃料電池汽車(chē)。由于AFC必須使用純氧而不能直接利用空氣，使得AFC無(wú)法應(yīng)用于民用領(lǐng)域，但是AFC很多技術(shù)后來(lái)被移植到了PEMFC上。

上世紀(jì)七十年代由于阿以戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致了兩次國(guó)際石油危機(jī)，不僅對(duì)全球政治、經(jīng)濟(jì)格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而且也促使西方國(guó)家深刻地認(rèn)識(shí)到尋找新型能源的重要性，從而對(duì)新型高能化學(xué)電源的研究產(chǎn)生了前所未有的巨大推動(dòng)。正是這一時(shí)期，人們?cè)谟袡C(jī)電解質(zhì)、固體電極材料、質(zhì)子交換膜、電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)研究方面取得了很大的進(jìn)展，鈉硫電池和鋰離子電池正是在這個(gè)時(shí)期構(gòu)建了基本原理。

得益于上世紀(jì)八十年代在過(guò)渡金屬氧化物、石墨嵌鋰化合物以及有機(jī)電解質(zhì)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，日本SONY公司在1991年首次將鋰離子電池成功地商業(yè)化。最初的鋰離子電池由于采用熱解聚糠醛硬碳負(fù)極材料能量密度并不高，自從日本大阪煤氣公司在1994年產(chǎn)業(yè)化MCMB之后，鋰離子電池的性能獲得了較大的提升得以迅速占領(lǐng)手機(jī)電池市場(chǎng)而飛速發(fā)展起來(lái)，上世紀(jì)末在全球范圍內(nèi)掀起了第一波鋰電產(chǎn)業(yè)化浪潮。與此對(duì)應(yīng)的是從1995年到2002年國(guó)際上第一輪鋰電基礎(chǔ)研究熱潮。鋰離子動(dòng)力電池的研發(fā)也在本世紀(jì)初開(kāi)始嶄露頭角（以法國(guó)SAFT為代表），不過(guò)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有在全球范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。

美國(guó)克林頓政府在1996年拉開(kāi)了“氫經(jīng)濟(jì)”（氫能和燃料電池）的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化的序幕，歐盟緊跟其后。在小布什總統(tǒng)當(dāng)政的8年時(shí)間里，“氫經(jīng)濟(jì)”的研究在西方發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是美國(guó)達(dá)到了巔峰狀態(tài)，而與此對(duì)應(yīng)的正是鋰離子電池的基礎(chǔ)研究從2002年開(kāi)始到2007年的這6年里陷入了低谷，當(dāng)然鋰電的產(chǎn)業(yè)化還是在快速發(fā)展的。第二輪燃料電池研究/產(chǎn)業(yè)化浪潮在2007年以后逐漸降溫，具體情況筆者在后面章節(jié)將會(huì)詳細(xì)討論。

自從2008年奧巴馬當(dāng)選美國(guó)總統(tǒng)以后，美國(guó)政府在電動(dòng)汽車(chē)的戰(zhàn)略方向就從氫能和燃料電池轉(zhuǎn)向了鋰離子電池，也就是當(dāng)前國(guó)際上的第二輪鋰電研究和產(chǎn)業(yè)化熱潮。這個(gè)轉(zhuǎn)變并非DOE心甘情愿，其背后的主要原因是氫氣的工業(yè)化生產(chǎn)和存儲(chǔ)以及燃料電池在技術(shù)、成本、壽命等方面還存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，這些難題嚴(yán)重阻礙了燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

日本的新能源研究和產(chǎn)業(yè)化政策主要由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）負(fù)責(zé)制訂，與歐美在鋰電和燃料電池兩個(gè)領(lǐng)域 “過(guò)山車(chē)”不大一樣的是，日本過(guò)去數(shù)十年里在這兩個(gè)領(lǐng)域支持力度相差并不大，這主要是因?yàn)槿毡驹谶@兩個(gè)領(lǐng)域都處在全球產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)先地位，而歐美的鋰電產(chǎn)業(yè)一直都沒(méi)發(fā)展起來(lái)。

如果我們仔細(xì)研讀DOE近幾年在鋰電方面的年度報(bào)告（BATT和ABR項(xiàng)目）、歐盟ALISTORE項(xiàng)目以及日本NEDO鋰電相關(guān)項(xiàng)目就可以看到，與上世紀(jì)末成果豐碩的第一輪鋰電研究熱潮相比，這一輪的鋰電基礎(chǔ)研究基本上沒(méi)有取得任何突破性進(jìn)展，反倒是具有明顯的學(xué)術(shù)“泡沫化”特征（表現(xiàn)在“納米鋰電”和磷酸鐵鋰兩個(gè)方面），DOE下一階段在高能電化學(xué)電源領(lǐng)域改變資助方向?qū)⑹沁t早的事情。

而事實(shí)上，美國(guó)DOE的技術(shù)路線和發(fā)展目標(biāo)一直是我國(guó)科技部和工信部制訂新能源汽車(chē)方面科研和產(chǎn)業(yè)化政策的基本參考依據(jù)。那么，DOE下一輪關(guān)于新型高能化學(xué)電源的研究和產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)移到什么領(lǐng)域？讓我們拭目以待。

其實(shí)，了解化學(xué)電源發(fā)展歷史的讀者都應(yīng)該明白，二次電池和燃料電池在過(guò)去的幾十年里都沒(méi)有真正“冷”過(guò)，只是重視的程度不同罷了。它們都是幾經(jīng)沉浮，你方唱罷我方登場(chǎng)，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)就是這么螺旋似地發(fā)展起來(lái)的。