氢燃料动力电池和锂离子电池有什么差别？

氢燃料动力电池和锂离子电池分析

近几十年虽然各国都在大力推广电动汽车，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于过往的电动汽车都违反了能量密度提升这个能源变革的主线逻辑。哪怕是最新一代的锂离子电池车，其能量密度极值也只有汽油的1/40，行业自然迟迟无法出现10倍速的改进。但燃料动力电池的出现却彻底改变了这一现状。其以氢气为原料，基础能量密度是汽油的3倍，电动机的做功效率还是内燃机的2倍，实际密度是汽油的6倍，优势明显。而且从人类过去百年的能源进化史看，其本质上就是碳氢比的调整史，氢含量越高，能量密度越高，未来从碳能源转向氢能源是大势所趋，因此采用氢能源的燃料动力电池无疑更能代表历史发展的方向，最有望成为下一代的基础能源。

机动车性能重要为续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料动力电池能量密度远高于锂离子电池，相应电池容量，快充能力和续航里程就具备了天然的优势，即使是和锂离子电池的优秀豪车Tesla相比也是大幅领先。但其功率密度不高，最大输出功率取决于辅助的动力锂电池系统，相应最高时速和百公里加速指标和锂离子电池相差不大。为了便于比较，我们下文选取目前主流的2L排气量汽油车，对应45度锂离子电池车和输出功率100KW燃料动力电池车作为分析基准。

能量密度比较

锂离子电池作为蓄电池的一种，是个封闭体系，电池只是能量的载体，必须提前充电才能运行，其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料，如从铅酸、到镍系、再到锂离子电池。但锂已经是原子量最小的金属元素，比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极，但能量密度其实也只有汽油的1/4，而且商业化的技术难度极大，几十年内都无望突破。因此锂离子电池能量密度提升受制于理论瓶颈，空间非常有限，最多也就是从目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使达到也只有燃料动力电池的1/120，可谓输在起跑线上。

体积能量密度比较

燃料动力电池的原料氢气重要缺点就是体积能量密度不高，现在基本上是采用加压来解决这个问题。按照现行的700个大气压的加压模式，其体积能量密度是汽油1/3。同样跑300公里，燃料动力电池储氢罐体积为100L，重量为30KG，对应汽油车油箱为30L，但电动机体积比内燃机小80L，总体积相差不大。锂离子电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线，代表公司为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高，但安全性差，要辅助的安全保护设备，跑300公里所需的两种电池体积分别为140L和220L，重量为0.4吨和0.6吨，都远高于燃料动力电池。展望未来假如储氢合金和低温液态储氢技术能够突破，燃料动力电池体积能量密度将分别新增1.5倍和2倍，优势会更为明显。

功率密度比较

燃料动力电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统，因此输出功率比较稳定，为了最大提高放电功率必须附加动力锂电池系统，如丰田Mirai就是配套镍氢电池。但作为一个开放的动力系统，其能量来自于外部输入，附加的镍氢电池不要考虑储能的问题，只要5-8度就能满足需求，对电池寿命的要求也不高，在真实工况下的使用限制很少。锂离子电池虽然理论放电效率很高，但为了不伤害电池寿命，使用限制很多。在充满电的情况下不能大倍率放电，快速放电只适用0-80%这个区间。即使如此，以5C倍率放电，实验室中的电池循环寿命也会缩短到只有600次，真实工况下会进一步降至400次，如Telsa即使最大功率可达310KW，但实际放电倍率也只有4C。而且锂离子电池作为能量密度不高的封闭储能体系，高功率放电和高续航里程基本很难兼容，除非大幅提升电池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元电池，其电池组件重量都接近半吨。