鉅大LARGE | 點擊量：698次 | 2022年02月28日
鋰離子電池和燃料動力電池的螺旋進化和發(fā)展歷程
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域基礎研究和產業(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”。事實上，鋰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。它們都是幾經沉浮，你方唱罷我方登場，化學電源產業(yè)就是這么螺旋似地發(fā)展起來的。本文通過回顧鋰電池及燃料電池的發(fā)展歷程，小編帶大家一起探討：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？
新能源汽車是近些年在國內發(fā)展起來的新興產業(yè)，2009年元月科技部、財政部、發(fā)改委、工信部聯合啟動了“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應用工程”，標志著新能源汽車產業(yè)正式上升為國家戰(zhàn)略。
2012年，國務院出臺了《節(jié)能與新能源汽車產業(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成為新能源汽車的主流路線，當前我國純電動汽車基本上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發(fā)展格局。
而作為全球電動汽車研發(fā)和產業(yè)化領頭羊的日本，在電動汽車技術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FCVClarity。其實早在2014年5月，日本經濟產業(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氫燃料電池車行業(yè)標準。之后，日本政府在《實現氫社會政策建言》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（Nissan）、韓國現代汽車（Hyundai）、美國通用汽車（GM）、德國寶馬（BMW）和大眾（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業(yè)化規(guī)劃。
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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路線。兩田（Toyota和Honda）燃料電池電動汽車量產的消息在國內電動汽車界引發(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特種產業(yè)服務，并且誤導中國電動汽車發(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)化生產的現實，我們當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-ionbattery，LIB）還是質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC），都是非常專業(yè)高深的高科技領域，涉及到多學科的綜合。筆者對這兩種化學電源體系都有相當的了解，本文中筆者將拋開深奧的電化學、固體化學以及電催化方面的科學原理，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最本質的特征，這樣才能認識這兩種化學電源各自的適用領域。
從根本上而言，二次電池是一種能量存儲裝置，通過可逆的電化學反應實現電能的存儲和釋放。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裝置，它通過電催化反應將燃料中的化學能轉換成電能釋放出來。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燃機有些相似，跟常規(guī)二次電池有著本質上的區(qū)別。衡量燃料電池電能生產能力的基本指標是功率密度（W/Kg或者W/L）。這兩種電化學電源體系工作方式上的本質不同，將直接決定它們在應用層面上的不同定位，筆者在后面將會詳細討論。
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）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）在純電動汽車領域的應用前景之前，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域基礎研究和產業(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T型車（大幅降低成本），以及1912年汽油車電打火啟動的出現（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電源（二次電池和燃料電池）的技術進步，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無法應用于民用領域，但是AFC很多技術后來被移植到了PEMFC上。
上世紀七十年代由于阿以戰(zhàn)爭導致了兩次國際石油危機，不僅對全球政治、經濟格局產生了深遠的影響，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電源的研究產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、固體電極材料、質子交換膜、電極過程動力學等基礎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領域的研究進展，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手機電池市場而飛速發(fā)展起來，上世紀末在全球范圍內掀起了第一波鋰電產業(yè)化浪潮。與此對應的是從1995年到2002年國際上第一輪鋰電基礎研究熱潮。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），不過當時并沒有在全球范圍內引起廣泛關注。
美國克林頓政府在1996年拉開了“氫經濟”（氫能和燃料電池）的基礎研究和產業(yè)化的序幕，歐盟緊跟其后。在小布什總統(tǒng)當政的8年時間里，“氫經濟”的研究在西方發(fā)達國家尤其是美國達到了巔峰狀態(tài)，而與此對應的正是鋰離子電池的基礎研究從2002年開始到2007年的這6年里陷入了低谷，當然鋰電的產業(yè)化還是在快速發(fā)展的。
第二輪燃料電池研究/產業(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向了鋰離子電池，也就是當前國際上的第二輪鋰電研究和產業(yè)化熱潮。這個轉變并非DOE心甘情愿，其背后的主要原因是氫氣的工業(yè)化生產和存儲以及燃料電池在技術、成本、壽命等方面還存在諸多技術挑戰(zhàn)，這些難題嚴重阻礙了燃料電池電動汽車的產業(yè)化進程。
日本的新能源研究和產業(yè)化政策主要由新能源產業(yè)技術開發(fā)機構（NEDO）負責制訂，與歐美在鋰電和燃料電池兩個領域“過山車”不大一樣的是，日本過去數十年里在這兩個領域支持力度相差并不大，這主要是因為日本在這兩個領域都處在全球產業(yè)化領先地位，而歐美的鋰電產業(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術“泡沫化”特征（表現在“納米鋰電”和磷酸鐵鋰兩個方面），DOE下一階段在高能電化學電源領域改變資助方向將是遲早的事情。而事實上，美國DOE的技術路線和發(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業(yè)化政策的基本參考依據。那么，DOE下一輪關于新型高能化學電源的研究和產業(yè)化重點會轉移到什么領域？讓我們拭目以待。
其實，了解化學電源發(fā)展歷史的讀者都應該明白，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。它們都是幾經沉浮，你方唱罷我方登場，化學電源產業(yè)就是這么螺旋似地發(fā)展起來的。
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