鋰電池能量密度之困

目前純電動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，三元鋰電池則達到200Wh/Kg，而特斯拉Model 3使用的2170鋰電池能量密度可達300Wh/Kg，但也僅僅為汽油能量密度的1/40。目前國內純電動汽車續(xù)航里程一般在200-400公里之間，領先者如比亞迪能夠達到600公里(如比亞迪唐EV600)，作為電動汽車領頭羊的特斯拉續(xù)航里程則接近600公里，在極限測試中，測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，蔚來出動燃油板車運送充電車服務的新聞刷爆網絡，蔚來為保證用戶體驗，蔚來員工星夜兼程用燒燃油板車拉著“充電寶”跟隨用戶給蔚來汽車充電。

圖1 移動板車運送充電車服務

上述測試的400、500、1000的續(xù)航里程數(shù)在實際應用中大打折扣，尤其在低溫或空調開啟的情況，實際續(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整車重量也會下降，但電動汽車在消耗電量的同時，整車重量卻沒有變化，這讓電動汽車在續(xù)航里程上十分吃虧。

如何進一步增加電動汽車的續(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)使用新一代的動力電池。

思路(1)會增加汽車重量，降低汽車經濟性，并需要增加電池包的體積，侵占汽車其他系統(tǒng)的空間，同時增加了BMS的設計難度;若BMS的熱量管理水好可能引發(fā)鋰電池爆炸!思路(2)需要改進電池技術，但在同時滿足安全、性能及成本約束下，進一步提升鋰電池的能量密度是很有難度的，有專業(yè)人士認為目前使用的鋰電池能量密度已經接近極限，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，實驗室中的固態(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。

表1 磷酸鐵鋰電池/三元鋰電池能量密度、對應汽車

換句話說，特斯拉的產品已經接近了純電動汽車的續(xù)航里程天花板，再現(xiàn)有技術基礎上進一步提升續(xù)航里程已經十分困難。另外，市面上絕大部分電動車是基于燃油車平臺設計改造而來，增加鋰電池數(shù)量來增加續(xù)航里程方法弊端是可能需要犧牲電動車其他的性能，如乘坐空間，甚至是安全性，有可能容易引發(fā)電動車著火。

得天獨厚的氫能源

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，遠遠超過鋰電池，僅需要數(shù)公斤的燃料，就能使汽車的續(xù)航超過電動汽車，以豐田Mirai為例，使用超高壓碳纖維增強尼龍儲氫瓶可以儲存6千克的氫氣，電池系統(tǒng)能量密度超過350Wh/Kg，續(xù)航里程達到65公里。更何況加注氫氣所需時間與加注汽油接近，使用更為方便。

表2 各類燃料的能量密度對比

目前氫燃料電池汽車一般利用高壓氫氣罐存儲氫氣，能夠攜帶較多的氫氣量。在70MPa高壓儲氫條件下，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)航里程已經達到傳統(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上進行改建就可以滿足需求。對比充電樁建設的龐大系統(tǒng)性改造工程，這可能是燃料電池另一個優(yōu)點。

對于氫燃料電池汽車續(xù)航里程的提升，一方面可以通過增加儲氣罐數(shù)量或增大儲氣罐體積，但是這會造成電池系統(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氫手段：一是增加儲氫瓶的壓強，二是使用新型儲氫材料提升單位體積的儲氫量。目前已經出現(xiàn)了高達90MPa的高壓儲氫罐，能夠進一步提升燃料電池汽車的續(xù)航里程，同時省出更多的空間。而新型的儲氫材料，則能更進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比

表4 不同儲氫方式的儲氫量對比

數(shù)據(jù)來源：玖牛研究院根據(jù)公開資料整理

總之，由于氫燃料電池遠超鋰電池的高能量密度，在現(xiàn)有技術條件下可解決消費者對于電動汽車的“里程焦慮癥”，且更加符合消費者的使用習慣。雖然目前氫燃料電池汽車需要時間完善基礎設施建設，也需要通過產業(yè)化降低成本，但考慮到儲氫技術進步有望進一步提升氫燃料電池的能量密度，降低氫氣的儲運成本，氫能源汽車在新能源汽車市場的競爭力將進一步增強，這樣看，留給純電動汽車提高電池能量密度的時間不多了。