摘要

其實，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去的幾十年里都沒有真正“冷”過，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，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)就是這么螺旋似地發(fā)展起來的。

純電動汽車動力源探討: 鋰離子電池VS 燃料電池（一）

新能源汽車是近些年在國內(nèi)發(fā)展起來的新興產(chǎn)業(yè)，2009年元月科技部、財政部、發(fā)改委、工信部聯(lián)合啟動了“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”，標志著新能源汽車產(chǎn)業(yè)正式上升為國家戰(zhàn)略。2012年，國務(wù)院出臺了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，規(guī)劃對節(jié)能車、新能源車進行了定義，并確定了實現(xiàn)的路徑與目標。該規(guī)劃明確了我國新能源汽車的發(fā)展將以鋰離子電池純電動汽車（LIB-EV）為主要方向。

最近幾年，鋰離子電池純電動汽車在我國已經(jīng)成為新能源汽車的主流路線，當(dāng)前我國純電動汽車動力電池是乘用車以三元動力電池為主而商用車主要采用磷酸鐵鋰動力電池的基本格局。而作為全球電動汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)頭羊的日本，在電動汽車技術(shù)路線上與我國并不一致。2014年12月，全球第一大汽車公司豐田汽車（Toyota）正式推出了全球首款量產(chǎn)型燃料電池電動汽車Mirai，這款車在日本的售價為723.6萬日元（折合人民幣38.3萬元，補貼售價為27.5萬元）。緊跟其后，本田汽車（Honda）也在2015年下半年發(fā)布了其新一代燃料電池汽車FCV Clarity。其實早在02014年5月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省就發(fā)布了《氫燃料電池車普及促進策略》，從而制定了日本國內(nèi)氫燃料電池車行業(yè)標準。

之后，日本政府在《實現(xiàn)氫社會政策建言》的議案中，提出了具體的氫燃料電池車普及目標及政策支持方案。此外，日本日產(chǎn)（Nissan）、韓國現(xiàn)代汽車（Hyundai）、美國通用汽車（GM）、德國寶馬（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汽車產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃與樣車。

我們可以看到，中國與日本（實際上也包括韓國和歐美主流車企）在純電動汽車發(fā)展方向上選擇了不同的技術(shù)路線。兩田（Toyota和Honda）燃料電池電動汽車量產(chǎn)的消息在國內(nèi)電動汽車界引發(fā)了激烈的討論并且形成了兩種觀點，一種觀點認為日本汽車界在純電動汽車上走燃料電池路線是錯誤（路線錯誤論），例子就是當(dāng)前國際上火熱的美國Tesla純電動汽車。而另一種觀點則認為，日本發(fā)展燃料電池汽車更多的是為了其軍工產(chǎn)業(yè)服務(wù)，并且誤導(dǎo)中國電動汽車發(fā)展方向（陰謀論）。

這些不同觀點暫且放下，面對Toyota和Honda燃料電池汽車小批量商業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實，我們當(dāng)下首先需要認真思考的是為什么中國和日本在發(fā)展純電動汽車方面選擇了不同的技術(shù)路線？或者說鋰離子電池和燃料電池到底哪種動力系統(tǒng)更加合適純電動汽車？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。

筆者對這兩種化學(xué)電源體系都有相當(dāng)?shù)牧私猓疚闹泄P者將拋開深奧的電化學(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方面對這兩種化學(xué)電源體系進行分析比較，希望能夠在純電動汽車動力源的問題上給廣大讀者提供一些不同的視野和角度。

對這兩種動力系統(tǒng)進行比較分析之前，我們首先要認識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裝置，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)電能的存儲和釋放。衡量二次電池存儲電能能力的基本指標是能量密度（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。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，將直接決定它們在應(yīng)用層面上的不同定位，筆者在后面將會詳細展開討論。

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）在純電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景之前，我們有必要簡單回顧一下兩者的發(fā)展歷程，這樣讀者就可以對兩者有更加直觀的認識。如果我們仔細分析過去20年里，歐盟（EU）和美國能源部（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是一對不折不扣的“歡喜冤家”。

其實在十九世紀末期，汽車最早就是從電池車發(fā)展起來的，鉛酸電池車的產(chǎn)量在二十世紀初期達到了頂峰。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（大幅降低成本），以及1912年汽油車電打火啟動的出現(xiàn)（使用更加便捷），則對鉛酸電池車造成了致命打擊，電動車從此退出了歷史舞臺。直到上世紀末由于高能化學(xué)電源（二次電池和燃料電池）的技術(shù)進步，電動汽車才再度引起重視。

國際上第一輪燃料電池的研究熱潮發(fā)生在上世紀七十年代，由于美國航天事業(yè)的需求而帶動了堿性燃料電池(AFC)的實用化，后來GM還制造出了全球首輛AFC燃料電池汽車。由于AFC必須使用純氧而不能直接利用空氣，使得AFC無法應(yīng)用于民用領(lǐng)域，但是AFC很多技術(shù)后來被移植到了PEMFC上。

上世紀七十年代由于阿以戰(zhàn)爭導(dǎo)致了兩次國際石油危機，不僅對全球政治、經(jīng)濟格局產(chǎn)生了深遠的影響，而且也促使西方國家深刻地認識到尋找新型能源的重要性，從而對新型高能化學(xué)電源的研究產(chǎn)生了前所未有的巨大推動。正是這一時期，人們在有機電解質(zhì)、固體電極材料、質(zhì)子交換膜、電極過程動力學(xué)等基礎(chǔ)研究方面取得了很大的進展，鈉硫電池和鋰離子電池正是在這個時期構(gòu)建了基本原理。

得益于上世紀八十年代在過渡金屬氧化物、石墨嵌鋰化合物以及有機電解質(zhì)領(lǐng)域的研究進展，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)手機電池市場而飛速發(fā)展起來，上世紀末在全球范圍內(nèi)掀起了第一波鋰電產(chǎn)業(yè)化浪潮。與此對應(yīng)的是從1995年到2002年國際上第一輪鋰電基礎(chǔ)研究熱潮。鋰離子動力電池的研發(fā)也在本世紀初開始嶄露頭角（以法國SAFT為代表），不過當(dāng)時并沒有在全球范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。

美國克林頓政府在1996年拉開了“氫經(jīng)濟”（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年時間里，“氫經(jīng)濟”的研究在西方發(fā)達國家尤其是美國達到了巔峰狀態(tài)，而與此對應(yīng)的正是鋰離子電池的基礎(chǔ)研究從2002年開始到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)將會詳細討論。

自從2008年奧巴馬當(dāng)選美國總統(tǒng)以后，美國政府在電動汽車的戰(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)前國際上的第二輪鋰電研究和產(chǎn)業(yè)化熱潮。這個轉(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)，這些難題嚴重阻礙了燃料電池電動汽車的產(chǎn)業(yè)化進程。

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)開發(fā)機構(gòu)（NEDO）負責(zé)制訂，與歐美在鋰電和燃料電池兩個領(lǐng)域 “過山車”不大一樣的是，日本過去數(shù)十年里在這兩個領(lǐng)域支持力度相差并不大，這主要是因為日本在這兩個領(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)一直都沒發(fā)展起來。

如果我們仔細研讀DOE近幾年在鋰電方面的年度報告（BATT和ABR項目）、歐盟ALISTORE項目以及日本NEDO鋰電相關(guān)項目就可以看到，與上世紀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)研究基本上沒有取得任何突破性進展，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。

而事實上，美國DOE的技術(shù)路線和發(fā)展目標一直是我國科技部和工信部制訂新能源汽車方面科研和產(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)化重點會轉(zhuǎn)移到什么領(lǐng)域？讓我們拭目以待。

其實，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去的幾十年里都沒有真正“冷”過，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，化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)就是這么螺旋似地發(fā)展起來的。