鋰電池能量密度之困

目前純電動(dòng)汽車一般采用磷酸鐵鋰電池(常用于客車)或三元鋰電池(常用于乘用車)。國內(nèi)目前主流磷酸鐵鋰電池能量密度150Wh/Kg左右，三元鋰電池則達(dá)到200Wh/Kg，而特斯拉Model 3使用的2170鋰電池能量密度可達(dá)300Wh/Kg，但也僅僅為汽油能量密度的1/40。目前國內(nèi)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程一般在200-400公里之間，領(lǐng)先者如比亞迪能夠達(dá)到600公里(如比亞迪唐EV600)，作為電動(dòng)汽車領(lǐng)頭羊的特斯拉續(xù)航里程則接近600公里，在極限測(cè)試中，測(cè)試人員曾駕駛特斯拉model3行駛了超過1000公里。

數(shù)據(jù)是很理想，現(xiàn)實(shí)卻很殘酷!讓我們先看一下什么是現(xiàn)代版馬拉火車。在去年，蔚來出動(dòng)燃油板車運(yùn)送充電車服務(wù)的新聞刷爆網(wǎng)絡(luò)，蔚來為保證用戶體驗(yàn)，蔚來員工星夜兼程用燒燃油板車?yán)?ldquo;充電寶”跟隨用戶給蔚來汽車充電。

圖1 移動(dòng)板車運(yùn)送充電車服務(wù)

上述測(cè)試的400、500、1000的續(xù)航里程數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中大打折扣，尤其在低溫或空調(diào)開啟的情況，實(shí)際續(xù)航里程將更加不忍直視。例如，蔚來汽車的ES8前期爆出在120公里時(shí)速下，續(xù)航里程僅為178公里，令人大跌眼鏡。而且燃油汽車在消耗燃油同時(shí)整車重量也會(huì)下降，但電動(dòng)汽車在消耗電量的同時(shí)，整車重量卻沒有變化，這讓電動(dòng)汽車在續(xù)航里程上十分吃虧。

如何進(jìn)一步增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程?一般有三種思路：(1)在現(xiàn)有鋰電池能量密度的條件下增加電池組中電池單體的數(shù)量;(2)增加鋰電池的能量密度;(3)使用新一代的動(dòng)力電池。

思路(1)會(huì)增加汽車重量，降低汽車經(jīng)濟(jì)性，并需要增加電池包的體積，侵占汽車其他系統(tǒng)的空間，同時(shí)增加了BMS的設(shè)計(jì)難度;若BMS的熱量管理水好可能引發(fā)鋰電池爆炸!思路(2)需要改進(jìn)電池技術(shù)，但在同時(shí)滿足安全、性能及成本約束下，進(jìn)一步提升鋰電池的能量密度是很有難度的，有專業(yè)人士認(rèn)為目前使用的鋰電池能量密度已經(jīng)接近極限，而且過度追求高能量密度將難以保證安全性;思路(3)不能救急，實(shí)驗(yàn)室中的固態(tài)電池可能要到3年之后才能正式商業(yè)化，降低成本、提高良率更加久遠(yuǎn)。

表1 磷酸鐵鋰電池/三元鋰電池能量密度、對(duì)應(yīng)汽車

換句話說，特斯拉的產(chǎn)品已經(jīng)接近了純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程天花板，再現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升續(xù)航里程已經(jīng)十分困難。另外，市面上絕大部分電動(dòng)車是基于燃油車平臺(tái)設(shè)計(jì)改造而來，增加鋰電池?cái)?shù)量來增加續(xù)航里程方法弊端是可能需要犧牲電動(dòng)車其他的性能，如乘坐空間，甚至是安全性，有可能容易引發(fā)電動(dòng)車著火。

得天獨(dú)厚的氫能源

相比于鋰電池，氫燃料電池汽車的續(xù)航里程不取決于動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度，而取決于所能攜帶的氫氣量，就像傳統(tǒng)燃油企業(yè)一樣。而且氫氣的能量密度之高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋰電池，僅需要數(shù)公斤的燃料，就能使汽車的續(xù)航超過電動(dòng)汽車，以豐田Mirai為例，使用超高壓碳纖維增強(qiáng)尼龍儲(chǔ)氫瓶可以儲(chǔ)存6千克的氫氣，電池系統(tǒng)能量密度超過350Wh/Kg，續(xù)航里程達(dá)到65公里。更何況加注氫氣所需時(shí)間與加注汽油接近，使用更為方便。

表2 各類燃料的能量密度對(duì)比

目前氫燃料電池汽車一般利用高壓氫氣罐存儲(chǔ)氫氣，能夠攜帶較多的氫氣量。在70MPa高壓儲(chǔ)氫條件下，氫燃料電池系統(tǒng)能量密度大幅超過鋰電池，主流氫燃料電池汽車的續(xù)航里程已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)石油燃料汽車的水平，加氫站的密度與加油站相近或者在加油站基礎(chǔ)上進(jìn)行改建就可以滿足需求。對(duì)比充電樁建設(shè)的龐大系統(tǒng)性改造工程，這可能是燃料電池另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于氫燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程的提升，一方面可以通過增加儲(chǔ)氣罐數(shù)量或增大儲(chǔ)氣罐體積，但是這會(huì)造成電池系統(tǒng)體積變大，減小車身的乘用空間;另一方面可以采用更高效的儲(chǔ)氫手段：一是增加儲(chǔ)氫瓶的壓強(qiáng)，二是使用新型儲(chǔ)氫材料提升單位體積的儲(chǔ)氫量。目前已經(jīng)出現(xiàn)了高達(dá)90MPa的高壓儲(chǔ)氫罐，能夠進(jìn)一步提升燃料電池汽車的續(xù)航里程，同時(shí)省出更多的空間。而新型的儲(chǔ)氫材料，則能更進(jìn)一步的提高汽車所能攜帶的氫氣量。

表3 幾款氫燃料電池汽車性能對(duì)比

表4 不同儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫量對(duì)比

數(shù)據(jù)來源：玖牛研究院根據(jù)公開資料整理

總之，由于氫燃料電池遠(yuǎn)超鋰電池的高能量密度，在現(xiàn)有技術(shù)條件下可解決消費(fèi)者對(duì)于電動(dòng)汽車的“里程焦慮癥”，且更加符合消費(fèi)者的使用習(xí)慣。雖然目前氫燃料電池汽車需要時(shí)間完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，也需要通過產(chǎn)業(yè)化降低成本，但考慮到儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)步有望進(jìn)一步提升氫燃料電池的能量密度，降低氫氣的儲(chǔ)運(yùn)成本，氫能源汽車在新能源汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步增強(qiáng)，這樣看，留給純電動(dòng)汽車提高電池能量密度的時(shí)間不多了。