锂电池能量密度分析和安全性比较

近几十年虽然各国都在大力推广电动车，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于过往的电动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。

机动车性能主要为续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料电池能量密度远高于锂电池，相应电池容量，快充能力和续航里程就具备了天然的优势，即使是和锂电池的顶级豪车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电池系统，相应最高时速和百公里加速指标和锂电池相差不大。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度锂电池车和输出功率100KW燃料电池车作为分析基准。

能量密度比较

锂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电池的1/120，可谓输在起跑线上。

体积能量密度比较

燃料电池的原料氢气主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。锂电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线，代表企业为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高，但安全性差，需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，都远高于燃料电池。展望未来如果储氢合金和低温液态储氢技术能够突破，燃料电池体积能量密度将分别增加1.5倍和2倍，优势会更为明显。

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M.S.WhitTIngham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。

锂离子电池工作原理：

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电正极上发生的反应为：LiCoO2==Li（1-x）CoO2+XLi++Xe-（电子）

充电负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe-=LixC6

充电电池总反应：LiCoO2+6C=Li（1-x）CoO2+LixC6

正极

正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-放电时：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4。

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

充电时：xLi++xe-+6C→LixC6

放电时：LixC6→xLi++xe-+6C

二、铅酸电池介绍

铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V，能放电到1.5V，能充电到2.4V。在应用中，经常用6个单格铅酸电池串联起来组成标称是12V的铅酸电池。还有24V、36V、48V等。

铅酸电池主要特性

安全密封

在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出。没有自由酸

特殊的吸液隔板将酸保持在内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置。

功率密度比较

燃料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，附加的镍氢电池不需要考虑储能的问题，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。

安全性比较

除了上述指标，安全性对于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量体系，从原理上高能量密度和安全性就很难兼容，否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中，能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好，电池温度达到500-600度时才开始分解，基本不需要太多的保护辅助设备。Telsa采用的三元电池能量密度虽高，但不耐高温，250-350度就会分解，安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池，大幅降低了单个电池漏液，爆炸带来的危险，即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备。并且前期发生的几次事故，虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人员伤亡，但就事故本身而言，其实都是非常轻微的碰撞，车身也没有收到什么伤害，但电池却着火了，也侧面反映了其安全性上天然的劣势。

燃料电池由于原料氢气易燃易爆，市场普遍担心其安全性问题。但如我们下表的数据，相比汽油蒸汽和天然气这两种常见的车用可燃气体，氢气的安全性并不差，甚至还略好。现在车用储氢装置都采用碳纤维材料，在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车祸导致泄露，由于氢气爆炸要求浓度高，在爆炸前一般就已经开始燃烧，反而很难爆炸。而且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。而汽油为液态，锂电池为固态，很难在大气中上升，燃烧都在车舱底部，整车会迅速着火报废。氢气储运环节其实和LNG非常类似，只是所需压力更大，随着商业化推进，其整体安全性也还是可控的。

电池车的成本主要分为整车成本、原料成本、配套成本。目前对燃料电池诟病最多就是成本太高，但用发展的眼光看，随着技术进步和商业化程度提高，其成本下降的空间很大。而锂电池如果考虑到电网端扩容的成本，其实综合配套成本还高于燃料电池，具体测算如下：

整车成本比较

锂电池、燃料电池和传统汽油车，整车成本的差异主要体现在发动机成本，其他组件差异不大。2L汽油车发动机成本在3万元左右，未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度电成本为1200元/kWh，未来有望降至1000元/kWh，45度电动车，电池成本为4.5万元。燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐，现在100kw电池组成本为10万元，预测年产50万台后，单位成本将降至30美元/KW，即2万元。现有储氢罐成本为6万元，未来有望降至3.5万元，总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大，可见整车成本并不是核心问题。

原料成本比较

2L汽油车百公里耗油为10升，5.8元/L的汽油售价，成本为58元。锂电池车百公里耗电量为17度，0.65元/度电成本，成本11元。燃料电池百公里消耗氢气9方，制氢方式主要分为电解水或者化学反应，如煤制氢、天然气制氢等。电解水成本主要是电，平均5度电1方氢气，成本约为3.8元/方，但可以在加氢站直接电解，省掉运输费用。如果采用化石能源大规模集中生产，国内成本最低的是煤制氢气，约为1.4元/方，北美则可利用廉价的天然气，成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准，百公里原料成本12.6元，和锂电池差别不大。

配套成本比较

加氢站、加油站、充电站成本主要分为土地成本、设备成本、建设成本，差别主要体现在设备成本。加油站基本在300万元，充电站为430万元，加氢站以日本目前的标准预计为1500万元，整体上加氢站成本要高1000万元左右。按照15年折旧，每年销气量1000万方，则折旧成本为0.1元/方。小规模时氢气一般以槽罐车运输，预计运费为0.44元/方，规模扩大后则可采用管网运输，成本会下降至0.23元/方。

虽然锂电池现阶段依托于现成的电网系统，配套成本很低。但如果大规模推广，现有电网的容量冗余基本都将被耗尽，未来必须要大规模扩容。因此充电站本质上是将配套成本外部化给了电网，因此计算其全产业链成本时还要添加电网端的成本。一般商业化运营的充电站至少都要达到1小时快充的标准，对应10个充电桩组成的充电站的功率都要达到600千瓦，相当于上百户家庭的用电负荷，对电网负荷的冲击极大。对应电网需要新增投资120万元来扩容负荷，但每年新增售电量只有93万度，按照0.65元/度购电成本，电网端15年收回投资测算，则售价要在成本基础上增加0.18元/度。

销售端成本测算

加油站的销售网络已经非常成熟，其每小时的利润水平可以作为加注站合理回报的测算基准。对应加氢站每方价差为0.51元，锂电池每度电则为4.9元。该电价情况下，锂电池车基本无法推广。目前国家规定充电站服务费上限为0.4元/度，但其背景是给予了大量补贴。但没有任何产业可以长期依靠补贴来发展，未来如果锂电池的充电效率不显著提升，在加注站这个环节，企业的盈利水平会大幅低于加油站和加氢站。没有合理回报，在目前寸土寸金的大城市，投资者根本没有任何激励去推广充电站，产业自然也无法发展。但锂电池低能量密度过低，如果强行实现高充电效率，电池循环寿命面对的工程挑战就会非常巨大。而且即使能实现3分钟快充，但对应单个充电桩的功率要高达1200千瓦，每个充电站都要配套一个110千伏变电站。其投资高达5000万元，占地5000平米，且周围300米还不能有居民楼，对于现在沿海大城市在操作层面上挑战也很大。

总计成本

综合上述所有成本，汽油车、锂电池车、现阶段和充分商业化后燃料电池车的百公里成本为58、83、23和20元。由于销售价差占锂电池成本比重很高，我们考虑到充电桩设备投资是加氢站的1/3，将其小时利润降至1.4元，综合成本也还有37元，燃料电池车长期成本优势仍然非常明显。其实这所有的根源还在于燃料电池能量密度最高，同等商业化情况下，成本自然具备优势。

新能源车发展的一个重要逻辑就是节能环保，这对我国无疑更为重要。目前我国不但空气污染严重，而且石油进口依存度高达60%，其中85%还要经过美国控制的马六甲海峡，能源安全已成为我们国家安全的最大软肋。因此国家给予新能源车巨额补贴，一个重要原因就是为了缓解对石油的进口依存度。那么下文我们就从节能、环保和资源约束等方面对两者进行比较，具体如下：

节能环保比较

燃料电池原料氢气在我国目前最经济的手段是煤制氢，锂电池的原料电力，在我国也主要来自于煤炭发电。因此这两者本质上能量都来自于煤炭，碳排放只不过是转移给了上游，因此是否节能，主要就是看能量转换效率。目前锂电池车每百公里耗电17度，对应6.8公斤煤炭;燃料电池每百公里耗氢9方，储运环节损耗20%，对应煤炭为7.3公斤;汽油车每百公里耗油10L，碳排放相当于10公斤煤炭。其实新能源车的节能效果都不明显，其核心价值还是在于将一次能源消耗从石油转化为我国储量丰富的煤炭，缓解了能源安全问题。而从环保看，燃料电池几乎没有尾气排放，锂电池也只有少量排放，全产业的污染主要集中在上游。但比起处理分散的汽油车尾气排放，上游的集中治污无疑难度要小很多。综合而言，燃料电池全产业链的污染最低，基本可以认为是最佳的绿色车用能源。

资源约束比较

燃料电池的催化剂要用到贵金属铂，市场普遍担心其资源约束。2015年铂全球总需求为270吨，主要下游为汽车尾气清洁催化剂、首饰、工业，占比为44%、34%、22%。Mirai单车铂消耗量约为20g，比汽油车消耗要高10-15g。假设燃料电池车占全球5%的年产量，年均消费增量为56吨左右，看似冲击很大。但是同样假设下，锂资源的年均消费增量为8万吨，对应每年4万吨的产量其实冲击更大，这已经从今年的锂矿石价格暴涨得到侧面证明。而且丰田中期优化目标为铂单耗降低75%，并实现催化剂的铂回收。上述任何一个目标实现，铂资源约束基本就得到解决。

商业化程度比较

从商业化程度上看，燃料电池和锂电池车大体差了5年，现在还处于商业化的前夕，预计爆发点在2020年左右。目前全球技术领先的国家为日本和美国，尤其是日本在乘用车领域几乎是一枝独秀，2015年量产的Mirai基本达到了商业化的入门标准。相比之下，我国在燃料电池产业化领域就建树寥寥，只有北汽福田和上汽为08年奥运会和10年世博会生产过燃料电池大客车，还停留在技术示范阶段。但我国的优势是经济体量大，随着燃料电池技术的成熟，具备快速追赶的能力。

能源的未来和工业体系的重构

目前全球能量整体还是来自于太阳核聚变产生的边缘能量，总输出功率为1.8*1013。依照卡尔达肖夫指数，还处于行星级文明的阶段。未来要继续突破，必然要实现可控核聚变，唯此才能达到1016的恒星级文明起步条件。届时1公斤氢的同位素就能产生上亿度电力，相当于1公斤海水就抵得上300升汽油的能量，水变油也将从梦想变成现实，能量也将不再成为困扰人类发展的问题。电解水制氢成本将会极低，可控核聚变+氢能源将成为能源结构的终极组合。石油则可以从燃料这个低端领域彻底解脱出来，各种石油基原料的成本将会降至能以想象的程度，也给人类未来工业体系的重构带来了无限可能，那将会是一个非常美好的时代！

纵观人类历史，每一次能源变革都会带来整个工业体系的重构，甚至是全球领导国家的易主。第一次工业革命成就了英国、第二次工业革命成就了美国。如果燃料电池车未来能全面替代石油车，则配套石油建立的整个工业体系都将被颠覆，发达国家在过去200年内燃机时代积累起来的技术优势的价值将大幅缩水，这也相应给了我国一个弯道超车的机会。如果我们能够把握住这个历史机遇，就完全有望成为下一代工业体系的领导国家。日本作为最早研发出锂电池的国家，目前却已基本放弃锂电池车的研发，全力猛攻燃料电池，其背后的逻辑很值得我们深思。