钜大LARGE | 点击量：822次 | 2022年02月23日
史见未来 下一个颠覆性创新——燃料动力锂离子电池汽车
颠覆性创新(DisruptiveInnovation)，是指那些创造了新的市场和价值网络，并最终颠覆了现有市场，取代已成熟市场中的原有领先者的创新技术。这一理论由哈佛商学院教授，“创新大师”ClaytonM.Christensen提出，这一理论被称为21世纪最有影响力的商业理念。历史上已出现了很多符合这一理论的创新技术，比如FordModelT颠覆了马车，数码相机取代了胶片。那么，燃料动力锂电池汽车是不是也具有“颠覆性创新”的特质呢？
2020，曾经，这个时间结点经常被作为实现燃料动力锂电池汽车商业化的目标年。如今，2020就在眼前了，但燃料动力锂电池汽车的前景仿佛还是不太明朗。今天仿佛已经是极好的时代了，一切都在蓬勃发展，新能源车企爆发式上升，共享出行等商业模式也突飞猛进。在这样优渥的土壤中，为甚么燃料动力锂电池汽车的发展依然步履艰难？2020之后的下一个20年方向何在？本文将从以下几个方面给出分解：
1.从电池的发展史看汽车电动化的百年浮沉
2.有关燃料动力锂电池汽车硬实力的新观点与数据分解
3.从七个已经成功的颠覆性技术，看”颠覆性创新”的共同特点
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
4.燃料动力锂电池汽车的下一个20年？
一、从电池的发展史看汽车电动化的百年浮沉
“电”改变了人类的一切，却留下了汽车这一遗珠。在能源范畴，不具有类似信息技术范畴“摩尔定律”，能源技术的发展更接近线性而不是指数上升。能源是一切技术的基础，它事关全人类的安全，因此它的发展非得足够稳健，新的能源技术要足够充足地证明自己，才可能进入主流。电池技术的发展史，以及汽车电动化的百年浮沉，也就是能源技术发展的一个缩影。
“电池”与“电”同时被发明(发现)
提到汽车电动化所面对的挑战，大家首先肯定会想到是电池“不行”。的确如此，电池技术的发展仿佛已经很难跟上当今的电动化、电子化浪潮对其的要求了。但实际上，电池的发明和电学的起步是同时期的，早在科学家发现“电”的时候，电池就被发明了，并且很好地帮助了科学家进行电相关的试验。下图总结了电池的发展历程。
电池发展史
人类系统地研究自然界中的电现象，是从18世纪开始的。代表人物是著名的benjaminFranklin。实际上也是他创造了battery(电池)这个词，当时用来描述带电玻璃板阵列。同时期还有另外一位解剖学家叫LuigiGalvani。他发现了“生物电”，进而描述了电流以及发电的原理，为后续的“电池”发明奠定了基础。Galvani可能不如Franklin著名，但是学过电学相关知识的朋友应当用过Galvanostatic（恒电流）这个词。
LuigiGalvani在解刨青蛙时发现电流
在1800年之前，科学家对电的研究都是停留在对自然现象的观测中，直到AlessandroVolta(电压单位“伏特”)发明了工程意义上的电池。这被称为“伏打电堆”（VoltaicPile），这一电池由交替的锌和铜盘构成，在金属之间布置有浸泡在盐水中的纸板，两极发生电化学反应从而出现电流。这是世界上第一个能够出现可靠稳定电流的“湿电池”，它的重大意义在于为后续研究电的科学家供应了稳定可靠的电源，极大地推动了电学研究的发展。
接下来的1819-1827，是电磁感应的发现和使用，紧要来自于三个人：André-MarieAmpère，GeorgOhm，MichaelFaraday(三人分别是“电流”，“电阻”的单位，和“法拉第常数”的名称)。后来我们也了解了，这三人将电力技术推上了一个全新的高度，彻底改变了我们的生活。
另一方面，电池仍在按部就班地发展着，不断有新类型的电池被发明出来，比如1836年JohnDaniell发明了Daniell电池，1839年WilliamRobertGrove发明了燃料动力锂电池，也就是本文的主角。这里我们暂不具体解析燃料动力锂电池，你只要了解它与上图中其它的电池类型都不同，其它电池发电都是要消耗电极材料的，而燃料动力锂电池的电极材料则只作为催化剂，理论上永远不会被消耗，被消耗发电的是额外输入的“燃料”。相有关当时的“一次电池”而言，这是燃料动力锂电池的紧要优势。到了1859年，铅酸蓄电池出现了，这是第一个可充电电池(二次电池)，弥补了“一次电池”的缺点。铅酸蓄电池至今仍在汽车等范畴广泛使用。
到1881年，CarlGassner发明了锌-碳电池，这是世界上第一个干电池。在此之前的电池都是“湿电池”，就是说非得要填充液态的电解质，比如我们高中就学过的铅酸蓄电池，就是以硫酸作为电解质的。
另一紧要的进步是1901年ThomasAlvaEdison发明的碱性电池。碱性电池的办法原本是爱迪生的合作伙伴WaldemarJungner设计的，当时Jungner也同时发明了镍铬充电电池，他觉得镍铬充电电池的使用前景要大得多，所以并没有把精力放在碱性电池上。但爱迪生意识到碱性电池高容量、低成本的优点，所以拿来申请了专利，并在后来发展成了最成功的一次电池。
ThomasAlvaEdison展示公司的电动汽车
从1970年代开始，镍氢电池被发明出来，并且在1989年正式使用于小型商业化产品。随后便是锂离子电池的崛起了。实际上，人们早在100年前就认识到将锂作为电池材料的优点了(1912年美国物理化学学家GilbertN.Lewis首先开展了锂离子电池的研究)。因为锂是密度最低、电化学势最高，并且比能量最高的金属。锂的较小的原子量可以帮助锂离子加速扩散，这些都意味着锂可以成为理想的电池材料。尽管锂离子电池的早期研究开始于100年前，但实用的锂离子电池直到20世纪80年代才有所冲破。1980年，美国化学家Johnb.Goodenough和摩洛哥科学家RachidYazami分别发现了用LiCoO2作为电池阴极，石墨作为阳极可以很好地实现锂离子电池的效果。随后，由日本AsahiKasei公司(三菱集团的子公司)的科学家AkiraYoshino率领的研究团队于1985年制造了第一个锂离子电池原型，这是第一个可充电且稳定工作的锂离子电池版本。又经过了约十年的探索，索尼公司于1991年才将锂离子电池商业化。
今天，电力电子技术的发展，已经超乎我们曾经的想象了，从远大的方面说，最大的射电望远镜已经可以检测到宇宙深处距离我们200亿光年外的天体了。从最微观的方面说，人类制造的最小电子器件，如5nm晶体管，小到足以出现量子隧道效应。最快的计算机已经能够以每秒3.3亿亿次浮点运算的能力工作了(TH-33.86PFLOPS)。然而在电池方面，虽然学术界不断发明了很多新的电池类型，在试验室里电池性能也得到不断提升，但是在实际使用中，冲破性的改变并未发生过。我们了解，当今电池最成功使用之一是Tesla电动汽车。但连ElonMusk的超级厂也承认，他们今朝仍旧只是对现有的锂离子电池进行改进，电池的革命可能不会在短时间内到来。
电动汽车曾是市场主宰
可能很多人也了解，电动汽车其实比内燃机汽车出现得更早，然而后来内燃机崛起，电动汽车便离开了历史舞台很长时间。其中的原由也很简单，在最初，“燃油+内燃机”的工作模式比“电池+电动机”要复杂很多。依据估计，内燃机通常具有超过2000个零件，而电动机则可以简化到数十个。后来电动汽车被反超，则是由于内燃机的性能显著提升，成本降低，而电动汽车，则遇到瓶颈，进展缓慢。可惜的是，直到今天，100年前电动汽车遇到的瓶颈，依然是我们今天最大的问题。1907年-1939年，位于底特律的AndersonElectricCarCompany是最大的电动汽车制造商，年销量最高到1800辆，他们加工的电动汽车，续航里程在80-211英里(128–339公里)，而今天，这个数字并没有多大改变：200-500公里(目前市场中的电动汽车)。
世界上第一辆电动汽车于1842年在苏格兰制造。到了1899年，美国销售了超过1500辆电动汽车，而同年汽油车的销量则为900辆。当时纽约已经建立了一个完善的充电站网络，电动汽车也尤其受到城市中的上层人士的酷爱，特别是女士们，一定会选择驾驶电动汽车，因为当时的内燃机并没有配备起动机，要手摇曲柄启动，这是一种费力且危险的操作。另外，电动汽车更清洁，比内燃机车更静谧，活动部件更少，因此更容易维护。
电动机(上)与内燃机零部件比较
从20世纪30年代开始，内燃机车逐渐成为市场主导，取代了电动汽车。因为随着内燃机技术的进步，它们变得比电动汽车更便宜，续航里程更远，车速更高，并且加油可以在几分钟内完成，比电动汽车便捷很多。另外，第一个实用的起动机也被美国工程师CharlesF.Kettering发明并推广，1920年的FordModelT就正式用起动机取代了手摇曲柄。Kettering在汽车工程史上也是一位紧要的人物，虽然不像Ford等人创立了自己的汽车公司，但是他以工程师的角色，发明了数百项推进汽车工业的技术，也备受人们崇敬。倘若你到了密歇根，会留意到有很多以Kettering命名的学校、研究所等。比如位于Flint的KetteringUniversity,至今仍是培养优秀汽车工程技术人员的摇篮。
在沉寂数十年后，到了20世纪90年代，电动汽车在美国加州出现了小规模的复兴，这是因为当时加州出台了一项《零排放汽车法案》(ZeroEmissionVehicleMandate)，这项法案曾规定，1998年在加州出售的新车中，“零排放汽车”的比例要达到2%，2000达到5%，2010年达到10%。通用汽车加工了超过1000辆纯电动汽车，即EV-1，以满足该法案。但是这项法案一直受到诸多批评的声音，其本身也在不就后就放宽了，所以纯电动汽车再次落入低估，但与此同时，混合动力汽车却得到了发展。
到了今天，我们讨论电动汽车，是因为它再次迎来了复兴的希望。如我们前面所讨论的，电动汽车，包括燃料动力锂电池技术，并不是一项新技术，但我们依然可以将其归类为潜在的“颠覆性创新”。正如美国著名传播学家和社会学家EverettRogers在他的开创性著作《创新的扩散》（DiffusionofInnovations）中指出的：“要成为一种创新，技术不要是新的。倘若一项新技术有关个人而言仿佛是新的，那么它依然可以被认为是一种创新”。而电动汽车就属于这种情况。
二、燃料动力锂电池汽车：性能优异，却陷入迷茫
燃料动力锂电池，作为汽车电动化的处理办法之一，其常被提及的几个优势，我无需在此赘述了。纯电动汽车相有关燃油车所具有的优势，燃料动力锂电池汽车都同样具有。在此基础上，燃料动力锂电池汽车还有更多的几个突出特质。我们老生常谈的两点，可能就是续航里程和充能时间了。我猜大家对纯电车和燃料动力锂电池车的续航里程的大致印象是，两者差不多。这种印象的来源可能是因为如今一些纯电动汽车的续航里程已经足够高，达到了燃油车水平，比如2017ModelS100D的里程是335miles(539km)，同时最新量产燃料动力锂电池车的里程也差不多是这个数，比如HondaClarityFuelCell2016版在EPA探测循环中，里程是589km。但是也许我们可以透过历史数据，用发展的眼光来重新看看这个问题。
下图是我们整理的Honda燃料动力锂电池汽车发展年表，重点列出了储氢方式与续航里程的变化。不难看出，在短短不到20年间，储氢技术经历了合金储氢，甲醇重整，高压氢罐等方式。其中高压氢罐的储氢压力，随着技术的发展，从最初的25MPa、100L，新增到了今朝的70MPa、141L。相应的，燃料动力锂电池汽车续航里程也在短时间内有了质的飞越。从下面的曲线图可以更直观地看出来，燃料动力锂电池汽车的续航里程的上升是非常迅速的。所以，回过头再去想想刚才我们比较的纯电动汽车与燃料动力锂电池车，虽然今天二者的续航里程相似，但是，燃料动力锂电池车是用不到20年时间就从200多公里的里程进步到今朝的水平，而纯电动汽车，上一节我们也说到了，它们在100年前，续航里程就是已经300多公里了。可见，倘若照着这样的发展速度持续下去，不久后燃料动力锂电池汽车的续航里程就能让纯电动汽车望尘莫及了。
Honda燃料动力锂电池汽车发展年表
储氢量与续航里程在20年内飞速提升
从原理上说，燃料动力锂电池汽车在续航里程上的优点也很好理解。纯电动汽车的里程受到其搭载的二次电池容量的限制，而二次电池的发展，前面已经解析得很具体了，受到电化学反应原理的限制，其容量的提升可以说是在百年间进展龟速。而有关燃料动力锂电池汽车，我们只要不断增大储氢压力，就能线性地增大其续航里程。虽然工程践行中其实也没有说起来的这么简单，增大储氢压力关系到氢罐材料、安全性、总体效率等方面，但是其提升的难度依然远低于二次电池的性能提升难度。
除了续航里程的优点外，车用燃料动力锂电池的优点还体今朝耐久性，功率密度和便于增大尺寸。这里暂不展开细说，推荐大家看一篇今年最新发表于NatureEnergy的文章batteriesandfuelcellsforemergingelectricvehiclemarkets，其中有对各种类型的二次电池及燃料动力锂电池的性能参数的具体总结。
说了这么多燃料动力锂电池的价值和优点，那么为甚么到如今它的发展仍旧很迷茫呢？我想这是因为“颠覆性创新”的典型特点之一：”颠覆性创新技术最初比现有技术更昂贵，然而质量却更差”，很显然，在这样的初期条件下，它是难以找到市场的。那么燃料动力锂电池汽车的出路在哪里？它会成为下一个成功的“颠覆性创新”吗？我们不妨一起回顾一下历史，看看历史上其它几项最终取得成功的“颠覆性创新”是怎么做到的？
三、成功的“颠覆性创新”的四个共同特点
在人类历史上的各个范畴中，颠覆原有成熟技术的创新并不少见，它们无一例外的，在最初阶段不被市场看好，但最终成功地替代了原有技术，并改变了我们的生活。第一个是在摄影范畴，在上个世纪90年代数码相机出现之前，胶片是绝对的选择，数码相机价格数倍于胶片相机，而在初步进入市场时，其画质和使用便利性等也都比不上胶片相机(如表1和表2所示)，但后来的故事大家应当耳熟能详了。类似的例子还有：汽车替代了(绝大部分)马车；液力工程机械替代了(绝大部分)电力工程机械；石英表替代了(绝大部分)机械手表；在船运范畴，蒸汽船替代了帆船，电子阅读器成功地与纸质书分享了市场。
表1.原有技术与成功的颠覆性技术之间的成本比较
表2进入市场初期，颠覆性技术优缺点比较
在回顾了上述成功颠覆性创新的发展历程并分解了相关数据后，我们不难总结出它们的共有特点：
1.现有市场领先者通常不会认识到该项新技术的威胁
我们发现，成功的颠覆性创新，在一开始都是被认为不具有威胁的。原本主导市场的公司即使意识威胁，也不会真正采取重大变革来采用颠覆性创新技术，而是通过不断降低现有技术的成本和改进现有技术性能，以求维持其市场份额。这个效应其实已经有了一个自己的名字，就叫做“帆船效应(SailingShipEffect)”，说的就是19世纪初的时候，蒸汽船的出现对帆船的市场占有构成了很大的威胁，这导致了一个有趣的结果，那就是在随后的50年间，帆船实现了比过去300年间还多得多的技术改进，然而，这些努力通常是徒劳的。这样的例子还包括柯达没有及时转向数码相机的研发。bucyrus-Erie公司作为曾经最大的采矿设备制造商，因其没有及时采用液压技术，而逐渐退出历史舞台，于1994年申请破产保护。类似的许多公司都因没能及时适应颠覆性技术，而后开始走下坡路甚至销声匿迹。
相反的例子是瑞士钟表行业。在钟表行业中，曾经有一段时间被称为“石英危机(QuartzCrisisakaQuartzRevolution)”,这指的是在20世纪70年代和80年代初期，石英表的出现所引起的市场颠覆，由于当时瑞士钟表业选择持续专注于传统机械表，瑞士手表出口量从1973年的4000万台下降到1983年的300万台，瑞士钟表业几乎要被石英表所消灭。如今，瑞士钟表业也接纳了石英，帮助自己实现了复苏，并再次站在世界巅峰。2011年，瑞士钟表业实现收入130亿欧元。
2.颠覆性创新最初比原有技术更昂贵，而质量却更差
从表1我们可以看到，成功的颠覆性创新在刚进入市场时，其成本比原有技术可能高4到30倍。高价格通常是由于复杂的制造工艺，高成本材料的新技术导致的，新技术尚未从规模经济中受益。在新技术对市场的占有率逐渐增大后，依据学习曲线效应我们了解，由于制造优化，产量新增，单位成本得以下降。最终，颠覆性技术的成本可能降至与原有技术笔直竞争的水平。
3.颠覆性创新技术对消费者具有某种形式的“附加价值”
颠覆性创新取得成功的其中一个紧要因素是给用户带来“附加价值”。然而有趣的是，这种附加价值经常是出乎预料的，并且分明超出了技术本身的功能优点。比如说iPod，它的功能性进步是显著的，比如可以储存比CD多得多的音乐。但是，市场人员经过调研发现，最初人们踊跃购买iPod的紧要驱动是认为它很“酷”。
4.颠覆性技术将首先填补小众市场(NicheMarket)，然后逐渐扩散
以液压挖掘机为例，在早期，挖掘机的主流市场是采矿业、建筑业等，液力挖掘机因为更小型化，所以无法进入这些主流市场。后来液力挖掘机找到了自己的小众市场，也就是个人住宅建设。因为我们了解，美国的个人住宅大多都是独栋的，相对分散的，在早期的时候也紧要由家庭自己建设。最早的时候紧要靠人工手动挖掘地基。随着二战后美国经济发展，住宅建设需求蓬勃发展，液力挖掘机很好地填补了这个市场空白，因为它比大型电力机械更小巧灵活，相有关手工作业又能显著提高效率。
四、燃料动力锂电池汽车的下一个20年？
在分解了上述几个成功的“颠覆性创新技术”的历程之后，我们再来沉思燃料动力锂电池汽车的下一个20年应要如何发展？首先，我们应当已经认识到，燃料动力锂电池汽车符合前面我们总结的“颠覆性创新”的共性。因此，我们有理由相信它具有充足的潜力成为下一个成功的颠覆性创新技术。我认为，意识到这一点，有关制造商和政策制定者们的大方向决策至关紧要。然后，借鉴以往的成功技术，有关燃料动力锂电池汽车详尽的发展策略我认为可以从以下三个角度考虑：
1.努力新增附加价值，而不是全力投入降本
一部分公司在推广新能源汽车，特别是燃料动力锂电池汽车时，犯了一个错误，那就是他们全力投入到降低成本的目标中，期待将新能源汽车的成本降低到燃油车的水平，从而与燃油车笔直竞争大众市场。从本文我们分解过的历史相关相关经验来看，这可能行不通。从纯电动汽车发展过程中的一些案例，我们也可以看见一些端倪：二十一世纪初时一些纯电动汽车为了追求“具有竞争力”的低成本，制造了很多低品质的产品，这不但没能帮助它们与现有技术分享市场，反而降低了公众对电动汽车的接收度：因为它们给消费者留下了“电动汽车=低品质”的刻板印象。一个典型的例子就是印度RevaElectricCarCompany在2001-2012年间制造的名为REVAi(akaG-Wiz)的电动汽车，它曾经成为了世界上销量最好的电动汽车，销往了26个国家，但是它的性能在很多国家根本达不到“汽车”的标准，比如在美国它被划归为”NeighborhoodElectricVehicle”；在欧洲，它属于“HeavyQuadricycle”，其实也就类似于近期我国大量出现的“低速电动汽车”。既然它们存在，我无法否认这种进入市场的方式具有它自己的逻辑。但长远看来，树立品牌，新增消费者认可度，和努力新增“附加价值”才是可继续发展之道。
印度RevaElectricCarCompany的REVAi电动汽车
产品的附加价值通常是多方面的，比如产品功能，社交效应附加值(也就是口碑，认同感)，情绪附加值(高品质、品味带来的愉悦)，知识附加值(一些消费者对“黑科技”的追求就属于此类，越是理解技术、科学、创新的消费者，越倾向于接受/追求创新技术)。我们已经看到，这些附加价值对已经成功的那些颠覆性创新起到的至关紧要的用途。有关燃料动力锂电池汽车，倘若用心为消费者创造附加价值，这一定能成为冲破市场第一步的紧要推动力。
2.从高端市场切入
燃料动力锂电池汽车当前的高成本，决定了它更适合从高端市场开始切入。另一方面，可以说它的高成本反而更加有利于其进入高端市场，因为，它的高成本意味着它有机会创造更多的“附加价值”，而最愿意为这些“附加价值”买单的消费者恰恰就是在高端市场中的那群人。当然，随着Tesla的成功，高端市场切入的策略大家也都并不生疏了。值得一提的是，高端市场切入，关键不在于“提高价格”，倘若谁认为单纯地提高价格，就能让自己的产品进入高端市场，那无疑是欺骗行为，其本身也是不长远的，比如诺基亚VERTU，所谓的世界首个奢侈品手机，还有国内一些类似的产品。我的理解是，这类既没有文化底蕴(比如1998年才创立)，又没有附加价值的所谓奢侈品，除了能从欺骗中获得一些收益，是绝不可能真正进入高端市场的。越是处于高端市场的消费者，越是对产品的附加价值有清楚的判断，他们对自己的需求有明确的认识。
丰田“ProjectPortal”燃料动力锂电池卡车，配备两台质子交换膜电堆，总功率500kW
3.关重视型商用车市场
越来越多的公司已经意识到，燃料动力锂电池汽车可以把重型商用车作为一个不错的市场切入点。这个思路其实也是延续着高端市场切入策略的，因为燃料动力锂电池汽车单位成本高的固有特性，它要在高单价的产品上去消化它的成本劣势。重型卡车相有关乘用车来说，就具有这样的特点。并且，重型商用车的用户，也有他们的特殊附加价值需求。比如，与乘用车不同，他们尤其关注运输效率和运行成本。有关一个卡车运输队，越快地到达目的地，越少地消耗燃料，有关他们来说就是笔直地新增利润。燃料动力锂电池技术恰恰可以供应这两点附加价值，如前一章节我们所分解的，燃料动力锂电池汽车的续航里程可以相对容易地扩展，卡车司机甚至在一次运输任务中并不要停车补充燃料。而氢燃料成本远低于柴油，这又可以节省出一大笔利润。
丰田“燃料多样化战略”，燃料动力锂电池卡车处于紧要位置
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