鹿死誰手：燃料電池VS鋰電池

幾個(gè)月前，特斯拉CEO“給力哥”Elon-Musk在德國接受外媒采訪時(shí)將燃料電池(Fuel Cell)稱為“傻瓜電池”(Fool Cell)，并表示：“他們非常愚蠢，就算從理論上實(shí)現(xiàn)燃料電池的最佳性能，也無法同今天的鋰離子電池抗衡。”他還指出鋰離子電池還有很大潛力沒有發(fā)掘。

而另外一方面，通用汽車和豐田等多家車企巨頭各自同合作伙伴簽訂合作開發(fā)燃料電池協(xié)議，計(jì)劃未來數(shù)年內(nèi)推出燃料電池車投入實(shí)用。早在2011年豐田就在東京車展上就亮相了FCV-R氫燃料電池概念車，今年東京車展則將展出量產(chǎn)型號(hào)。豐田公司同寶馬簽署協(xié)議在四個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行合作，其中就包括燃料電池。

除了豐田，通用汽車和本田汽車宣布將聯(lián)合開發(fā)下一代燃料電池技術(shù)，以便2020年投放到市場。韓國現(xiàn)代汽車已經(jīng)率先投產(chǎn)燃料電池車，福特、戴姆勒和雷諾-日產(chǎn)正合作開發(fā)燃料電池技術(shù)。

豐田表示，即將量產(chǎn)的燃料電池車售價(jià)大約接近寶馬5系或者特斯拉Model S，大約為5萬美元左右，一次加注燃料續(xù)航里程高達(dá)300英里(483公里)。因而性價(jià)比具有較高的競爭力。

那么到底是特斯拉的給力哥對(duì)，還是豐田以及一眾車廠對(duì)，為什么會(huì)有燃料電池和鋰離子電池之爭，未來電動(dòng)車的動(dòng)力之源會(huì)是什么呢?我們來做一個(gè)深度解讀。

電動(dòng)車和傳統(tǒng)汽車

現(xiàn)在林林總總的電動(dòng)車，其實(shí)是傳統(tǒng)汽車的一個(gè)延續(xù)，人們做的，只是把傳統(tǒng)汽車動(dòng)力部分、燃油部分換成了電機(jī)和電池。

電動(dòng)車的歷史其實(shí)非常非常悠久，1839年，蘇格蘭的羅伯特˙安德森給四輪馬車裝上了電池和電動(dòng)機(jī)，將其成功改造為世界上第一輛靠電力驅(qū)動(dòng)的車輛。內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)明時(shí)間則要推遲到四十余年之后的1885年10月，卡爾-奔馳設(shè)計(jì)制造了世界上第一輛三輪汽油汽車，同年戈特利布-戴姆勒也制造出了一部四輪汽油汽車。兩人各自成立了自已的汽車公司，1926年兩家合并為戴姆勒-奔馳汽車公司。

電動(dòng)車在歷史上經(jīng)歷過三個(gè)發(fā)展期，1885年到1915年是電動(dòng)車的第一次黃金時(shí)期。這一期間，由于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)相當(dāng)落后，行駛里程短，故障多，維修困難，不及電動(dòng)車，因此電動(dòng)車在這一時(shí)期被普遍認(rèn)可。當(dāng)時(shí)美國總統(tǒng)的座駕就是電動(dòng)車，而不是內(nèi)燃機(jī)汽車。

第二個(gè)階段是60年代，中東戰(zhàn)爭引發(fā)石油危機(jī)的大背景下，美國通用汽車公司與福特汽車公司分別研發(fā)了新型電動(dòng)汽車。雪鐵龍、標(biāo)致則將現(xiàn)有車型改裝成小型電動(dòng)汽車。以此為契機(jī)，全球掀起了電動(dòng)車熱潮。

第三個(gè)階段是20世紀(jì)90年代后，隨著鋰電池技術(shù)的進(jìn)步，成本的降低，電動(dòng)車的性能有了巨大提升。最終實(shí)現(xiàn)了特斯拉、日產(chǎn)等的量產(chǎn)電動(dòng)車。

從電動(dòng)車的歷史可以看出，電動(dòng)車和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，實(shí)際上是平行發(fā)展，互相競爭的關(guān)系。當(dāng)電動(dòng)車的性能、成本、用戶體驗(yàn)高于內(nèi)燃機(jī)汽車的時(shí)候，電動(dòng)車就有一個(gè)黃金發(fā)展期，而當(dāng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)步，體驗(yàn)超過電動(dòng)車時(shí)，電動(dòng)車就歸于沉寂。

電動(dòng)車性能的關(guān)鍵因素：動(dòng)力電池

對(duì)于電動(dòng)車來說，性能、成本、用戶體驗(yàn)?zāi)芊駢旱箖?nèi)燃機(jī)汽車，關(guān)鍵在于動(dòng)力電池。

我們知道，汽車能跑，是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱工作，給汽車提供動(dòng)力，電動(dòng)車能跑是電池和電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。電機(jī)技術(shù)經(jīng)過百年的發(fā)展，已經(jīng)非常非常成熟。

無論是單位重量的功率、還是效率、壽命、成本、控制，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)。同等功率的電機(jī)往往比發(fā)動(dòng)機(jī)便宜，壽命更長，維護(hù)保養(yǎng)也更簡單。理論上電動(dòng)車應(yīng)該遠(yuǎn)比內(nèi)燃機(jī)汽車更有競爭力，而問題的關(guān)鍵就卡在電池上。

眾所周知，汽車運(yùn)動(dòng)是需要能量的，內(nèi)燃機(jī)汽車的能量來自于汽油或者柴油的燃燒，熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。而電池通過電機(jī)，把電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。而現(xiàn)在電動(dòng)車遇到的問題就是同樣的重量，同樣的體積，電池提供的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽油和柴油，也就是能量密度低。

所以，同樣跑300公里，汽油車只需要30升的油箱，只需要20多公斤汽油，而即使采用了先進(jìn)鋰離子電池的電動(dòng)車，也要600多公斤的巨大電池包，還不算保護(hù)電路，電池包本身的保護(hù)的重量。

如果用鉛酸電池，則需要1噸到2噸的沉重電池包，而一輛家用轎車正常的重量也不過1噸多。

除了能量密度，電池還有一個(gè)功率密度的概念，動(dòng)力電池能夠釋放的最大電流是有限的，電壓是有限的。即使電動(dòng)機(jī)功率很高，電池瞬間放電能力不行，也會(huì)影響電動(dòng)車的性能。

動(dòng)力電池的分類

目前，電動(dòng)車用的動(dòng)力電池種類其實(shí)非常多，但是真正實(shí)用化的并不多。因?yàn)楹芏嚯姵囟加羞@樣或者那樣的問題。世界上大部分廠商都選擇了鋰電池，細(xì)節(jié)材料上有使用三元鋰電池的，有使用磷酸鐵鋰的，有使用錳酸鋰的，但是它們都可以歸結(jié)到鋰電池的范疇，需要充電放電，有循環(huán)次數(shù)。

氫燃料電池和鋅空氣電池都不是充電電池，是靠消耗其他材料(氫氣，鋅)產(chǎn)生電能，需要添加其他材料才能維持運(yùn)行，更類似傳統(tǒng)燃油車加油的概念。

還有幾種比較另類的電池，一般當(dāng)作動(dòng)力電池的輔助使用。下面我們就來詳細(xì)說說各類電池的特點(diǎn)和用于汽車的優(yōu)劣。

(一)氫燃料電池

首先我們來看被“給力哥”諷刺為傻瓜電池的氫燃料電池。燃料電池并不是一個(gè)新東西，它的歷史可以追溯到1838年，德國化學(xué)家提出了燃料電池的理論。真正實(shí)現(xiàn)商用化則是1955年的事情，美國通用電氣的工程師造出來實(shí)用化的氫燃料電池，隨即就應(yīng)用了到美國太空探索的雙子星計(jì)劃(題外話，有興趣的可以搜索一下紀(jì)錄片《從地球到月球》，看看美國人的雙子星計(jì)劃，阿波羅計(jì)劃，再看看中國的神舟計(jì)劃，嫦娥計(jì)劃)。

1991年發(fā)展出來可以應(yīng)用于汽車的氫燃料電池，這就是今天氫燃料電池的來源。

相對(duì)于其他電池，氫燃料電池最大的優(yōu)勢是能量密度極高，實(shí)驗(yàn)室可以做到3千瓦時(shí)每公斤，比其他類型的電池都高很多。用于汽車可以以更小的體積和重量，提供更長時(shí)間的續(xù)航。

但是，氫燃料電池也存在問題：

一是價(jià)格，氫燃料電池的核心零件是質(zhì)子交換膜和鉑催化劑，都是非常昂貴的材料，用在不計(jì)成本的航天可以，用在汽車上昂貴的價(jià)格讓氫燃料電池普及困難，即使到2015年，豐田也只敢說整車5萬美元，30多萬人民幣。而目前的價(jià)格是150萬到200萬人民幣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃油車和鋰電池的電動(dòng)車;

二是燃料的來源和儲(chǔ)存，氫燃料電池需要?dú)錃?，氫氣本身并沒有產(chǎn)業(yè)鏈支撐，制造，運(yùn)輸，儲(chǔ)存，加注都極不方便，成本又很高，危險(xiǎn)還很大，相比燃油車和鋰電池車成熟度太低。

從用戶體驗(yàn)角度，氫燃料電池車還有很長的路要走。給力哥諷刺氫燃料電池為“傻瓜電池”，也不是完全沒有道理。

(二)鋅空氣電池

鋅空氣電池的歷史也很悠久，可以追溯到1878年。鋅空氣電池更加類似我們所實(shí)用的干電池，實(shí)際上在很多領(lǐng)域，鋅空氣電池也在替代干電池。

鋅空氣電池的能量密度較高，可以達(dá)到每公斤0.3千瓦時(shí)，比鋰電池高一，并且價(jià)錢便宜，鋅材料比鋰便宜的多。

但是鋅空氣電池也有兩個(gè)問題：

首先功率密度低，使用鋅空氣電池的電動(dòng)車的雖然續(xù)航里程不遜色于鋰電池電動(dòng)車，但是加速、爬坡性能都很糟糕，實(shí)用性不佳;

其次產(chǎn)業(yè)鏈不匹配，鋅空氣電池和氫燃料電池類似，也需要更換材料，鋅空氣電池需要把氧化鋅更換為金屬鋅，這就需要從發(fā)電廠，到電解鋅工廠，鋅電池制造廠，到汽車換電池站等一系列的產(chǎn)業(yè)鏈配套。這些都要從頭開始，同樣遠(yuǎn)不如鋰電池成熟，要實(shí)用化也需要走很長的路。

(三)飛輪電池

飛輪電池是最近幾十年才發(fā)展出來的新型電池，它不是傳統(tǒng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)電池，而是內(nèi)部有一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，靠飛輪動(dòng)能儲(chǔ)存能量的電池。

飛輪電池沒有化學(xué)物質(zhì)，不存在爆炸燃燒之類的安全性問題，也不怕溫度變化，環(huán)境惡劣，循環(huán)壽命非常長。更可貴的是飛輪電池有極高的功率密度，達(dá)到5-10KW/kg，遠(yuǎn)高于其他類型的電池，盡管能量密度和鋰電池差不多，但是高功率密度可以帶來極好的汽車加速性能，在能量回收的時(shí)候，也就可以承受更大的功率。

在保時(shí)捷918的概念車上，副駕駛位置就是一個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)飛輪電池唯一的缺點(diǎn)就是貴，技術(shù)上，性能指標(biāo)上，安全性上，飛輪電池都很適合汽車使用，但是高昂的價(jià)格注定它只可能出現(xiàn)在豪華車或者超跑上，而不能進(jìn)入大眾用汽車。

(四)鋰電池

鋰電池的歷史可以追溯到70年代，是目前應(yīng)用最廣泛的電池。

汽車用的動(dòng)力鋰電池，其實(shí)也分好幾類，特斯拉最新用的松下電池已經(jīng)是三元鋰電池了，三元鋰電池的能量密度、功率密度、安全性比較均衡，是中庸之選。

特斯拉的優(yōu)勢是，用軟件的辦法，解決了充放電過程中的安全性問題。使得本來不偏重安全的三元鋰電池可以應(yīng)用于汽車。

但是特斯拉的電源管理技術(shù)解決不了穿刺問題，只能靠加強(qiáng)電池包的保護(hù)來解決，遇到極端碰撞，強(qiáng)大的沖擊力擊破電池包的保護(hù)，特斯拉依然會(huì)起火爆炸，只是高強(qiáng)度的保護(hù)給了車主逃生的時(shí)間。

磷酸鐵鋰(也就是比亞迪所謂的鐵電池)是應(yīng)用比較廣泛的電池，它的優(yōu)勢是安全性相對(duì)比較好，盡管也有事故，但是相對(duì)其他鋰電池已經(jīng)是最好的了。它的功率密度比較好，可以大倍率放電，有不錯(cuò)的加速性能。在循環(huán)壽命方面磷酸鐵鋰也有優(yōu)勢，長期使用成本相對(duì)較低。

磷酸鐵鋰的缺點(diǎn)是能量密度相對(duì)較低，同樣重量續(xù)航里程沒有優(yōu)勢。此外，低溫性能比較差，冷天電量會(huì)損失很多。

綜合看，磷酸鐵鋰還是被一致看好的動(dòng)力電池。

錳酸鋰電池，日本企業(yè)用的很多，優(yōu)點(diǎn)是低溫性能比較好，低溫電量損失沒有磷酸鐵鋰那么嚴(yán)重，價(jià)格也便宜，安全性不如磷酸鐵鋰，但是還不錯(cuò)。但是材料本身不太穩(wěn)定，容易產(chǎn)生氣體。