鋰電池能量密度之困

目前純電動(dòng)汽車(chē)一般采用磷酸鐵鋰電池(常用于客車(chē))或三元鋰電池(常用于乘用車(chē))。國(guó)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(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車(chē)?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(chē)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(guò)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(chē)。在去年，蔚來(lái)出動(dòng)燃油板車(chē)運(yùn)送充電車(chē)服務(wù)的新聞刷爆網(wǎng)絡(luò)，蔚來(lái)為保證用戶(hù)體驗(yàn)，蔚來(lái)員工星夜兼程用燒燃油板車(chē)?yán)?ldquo;充電寶”跟隨用戶(hù)給蔚來(lái)汽車(chē)充電。

圖1 移動(dòng)板車(chē)運(yùn)送充電車(chē)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(kāi)啟的情況，實(shí)際續(xù)航里程將更加不忍直視。例如，蔚來(lái)汽車(chē)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(chē)在消耗燃油同時(shí)整車(chē)重量也會(huì)下降，但電動(dòng)汽車(chē)在消耗電量的同時(shí)，整車(chē)重量卻沒(méi)有變化，這讓電動(dòng)汽車(chē)在續(xù)航里程上十分吃虧。

如何進(jìn)一步增加電動(dòng)汽車(chē)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(chē)重量，降低汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性，并需要增加電池包的體積，侵占汽車(chē)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(mǎn)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(zhuān)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(guò)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(chē)

換句話(huà)說(shuō)，特斯拉的產(chǎn)品已經(jīng)接近了純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)是基于燃油車(chē)平臺(tái)設(shè)計(jì)改造而來(lái)，增加鋰電池?cái)?shù)量來(lái)增加續(xù)航里程方法弊端是可能需要犧牲電動(dòng)車(chē)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(chē)著火。

得天獨(dú)厚的氫能源

相比于鋰電池，氫燃料電池汽車(chē)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(guò)鋰電池，僅需要數(shù)公斤的燃料，就能使汽車(chē)的續(xù)航超過(guò)電動(dòng)汽車(chē)，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?xún)?chǔ)存6千克的氫氣，電池系統(tǒng)能量密度超過(guò)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(lèi)燃料的能量密度對(duì)比

目前氫燃料電池汽車(chē)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(guò)鋰電池，主流氫燃料電池汽車(chē)的續(xù)航里程已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)石油燃料汽車(chē)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(mǎn)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(chē)?yán)m(xù)航里程的提升，一方面可以通過(guò)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(chē)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(chē)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(chē)所能攜帶的氫氣量。

表3 幾款氫燃料電池汽車(chē)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(lái)源：玖牛研究院根據(jù)公開(kāi)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(chē)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(chē)需要時(shí)間完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，也需要通過(guò)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(chē)在新能源汽車(chē)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(chē)提高電池能量密度的時(shí)間不多了。