锂电池虽好,我更看好燃料电池,哪怕还要等上40年

老张

电池如衣服,有些好看,但是穿不了;有些不好看,但是能够穿。

锂电池在近20年的电池市场上,真可谓是大红大紫。小到数码产品, 智能手环,中到新能源汽车,大到储能电站,无处不见其踪影。这是由于,锂电池可能是唯一集功率型与能量型特点于一身且技术成熟的电池产品。

对于锂电池的出身,我不再赘述,但是有一点要提,锂电池绝对是电池史的一个奇迹,是市场与技术正协同作用的最好例证。

可以规模化生产的电池当中,以锂电池和铅酸电池技术成熟度为锂电池成熟度为最高,工业标准化最强。换言之,可以通过资本直接采购生产线,直接生产电池。虽然在工艺上还有很多改进空间,但是当下,锂电池无疑是当下电动车最好的选择,可我认为,并不是最终的选择。

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锂电池的三宗罪:能量上限,回收困难,安全隐患。

锂电池的能量密度,是目前市场上最关注的问题。之所以关注,是因为它直接关系着电动汽车续航里程。但是提高能量密度却举步维艰,这个讨论的很多,我就不赘述了。

谈到回收,这个问题,我觉得是未来最需要面对和解决的问题。我曾经做过调查,我们可以在小区的垃圾桶里捡到被遗弃的旧干电池,手机电池,但是我们从来不能捡到铅酸电池。大家都知道铅酸电池可以卖钱。这是因为铅酸电池在失效后,至少还是30%的残值。但是锂电池则不然,残值不高,这就意味着电池的回收,可能不是市场自发的行为。那么到时候谁来买单,就成了一个很现实的问题。如果说钴酸锂这样的材料,在回收过程中,从账面计算上还有利可图的话,那么磷酸铁锂可能就需要有补贴才有人去做了。低成本带来的低残值,而造成不可循环,可能是磷酸铁锂技术带来的一把双刃剑。也许有时候,经济上的不可循环,比在技术上的不可循环,更加严重。

安全隐患,仁者见仁,智者见智。从我个人的观点看,任何人不再在系统层面去讨论安全,都是耍流氓。但是现实是,动力电池,对能力密度要求很高,对成本又相当敏感,作为产品来说,在这个方向是大大投入,厂家并不讨巧,不如直接告诉人家一个续航里程多高或者价格多低更加划算。燃油车也是这样的窘境,再出众的安全性能,也不如空间大、外观靓、牌子硬、油耗低、优惠大来的实在。因为安全问题的出现,总会有一定的概率,花大经历去做一些客户可能会感受不到的事情,未必每个厂家都会愿意。就像相机,大家关注的最多的可能就是像素,虽然像素高并不说明画质一定好,可能还会更差,但是市场非常接受。当然,厂家会作一些安全测试,但是即使测试了100种情况,还会有101种情况出现,这就是我们所谓的意外。因此在安全问题上不能不遗余力,在新能源汽车技术仍不成熟的今天,总会有安全隐患的存在。

锂电锂电池的问题池解决不了,如果能解决,那锂电池就不存在了。

很多人在不遗余力地解决着锂电池的问题,但是实际上,我坚定的认为:锂电池的问题锂电池的解决不了的。

2000年,我买了第一部手机,我印象很深,当时用的是镍氢电池。首次充电要求18个小时,还要要求用光了电在充电。以至于到2008年,有人还在问我,新买的笔记本,用不用第一次充电充12个小时?

如果用个名词,来描述上述问题,那么大家都知道,这是电池的“记忆效应”。而当十年前,无记忆效应,则是锂电池的主要卖点之一。

有些电池的问题,可以解决,比如工艺的优化,一致性的提高,可以通过“匠人精神”不遗余力地去解决,但是有些问题,如能量密度,则是锂电池从基因里带来的问题,它受元素周期律所限制,所以几乎是不可能解决的。

锂电池之所以存在,是因为它解决的镍氢电池基因上带来的问题,而锂电池基因里的问题,也需要别的电池来解决。

燃料电池和液流电池更适合新能源汽车,起码在形式上更合适。

除了车的技术层面,充电似乎也是一个问题。燃油汽车,加油大概在十分钟可以完成,但是新能源汽车充电,却要久的多。

对于这个“不便”,解决方式无非是两种:快速充电和换电技术。快速充电技术带来的问题很多,会使充电站成本增加,会使电池寿命下降,会使用电负荷增加,很多文章都有所论述。我想说说换电技术。2010年到现在,虽然我是个固执的人,但是有很多观点还是有所改变了。但是对于换电技术,我却始终持否定的观点。

首先,电池型号是不能统一。一说到工业标准统一,我最先想到的,就是PC。但是在汽车界,却不尽然。特斯拉开放专利,不知道目的是不是想做电动汽车行业的IBM。但新能源汽车市场,并不是特斯拉一家独大,电池成组、BMS、热管理各家都有所长,所以统一几乎是不可能。

由此引来了问题。这将意味着不同的厂家,甚至相同厂家的不同的车型,将会有不同的电池。这等同于,换电站不能通用(加油站可是通用的)。所以根据服务需求,不同厂家,要做自己的换电站。

当然,也可以有一家服务公司统一完成不同品牌不同型号的电动汽车的换电服务。这将引来另一个问题,按照一辆车存100度电来计算,那么按照锂电池的能量密度计算,单车的电池体量实际不小。所以这将受日服务量,储存空间和换电站的充电能力,多重限制。

同时,还隐含着一个问题,就是电池的产权。此时,电池的产权可以已经不属于车主。因为你的电池会被更换掉。这就会带来后续保修、维护和处置等一系列的问题。因此,可能意味着必须车电分离。

车电如果分离,那么可能因为要考虑的更换,电池和车的比例就会大于1比1。这是因为比如一辆车有一套电池在使用的同时,这辆车待换的电池也正在充电和备用。如果10辆车公用11套电池,那么就意味着电池的成本又无形中提高10%。在市场上新能源汽车当中,一般电池所占成本的比重都很高,如果这时候电池的成本进一步提升,那么谁来买单,就是个问题了。

所以,从第一次听到换电技术的2010年开始到今天,我对换电技术的态度没有什么改变:不是不可行,而是不是以大面积推广应用。

在这点上,燃料电池和液流电池的优势就很明显了。通过充填氢气,或者更换电解液,即可完成“充电”过程。而氢气就像汽油一样,只要纯度合格,压力达标,实际上是没有区别的。就算不同车型在压力上有些许的区别,通过简单的二级减压,便可实现。不管技术成熟度如何,起码在形式上更加合适。

燃料电池的三宗罪:氢产业链,贵金属催化,管理困难。

这就回到了最开始,燃料电池,就好像是一件看上去很美的衣服,但是穿起来并不舒服。

从2006年,我便认定,燃料电池的最核心问题,是氢产业链的问题。

杰里米里夫金先生的第三次工业革命一书中,提到了能源的五大支柱,氢能就是其中之一。在关注的燃料电池技术,我不免要问,氢从哪里来。我也曾小觑过制氢技术之端倪,但是很遗憾,即使有产业,但是并没有产业链。

石油之所以能统治能源,完全归功于石油产业链的发展。除了我们熟悉的汽油和柴油,无数种工程材料,日化产品,都是石油为原材料。石油分离出的主产品和各个副产品,不但分摊着原料的成本,更重影响着各个行业。

举个例子,在东北建了很多风电场,但是出力却不多,尤其是在冬天,还是以火电为主。原因很简单,火电厂有一个重要的副产品:热。如果使用风力发电,肯定能节能减排,东北冬天的空气也会清新很多,但是供暖却无法解决。这就是我所理解产业链,不知道和经济学里专业的定义有没有不同,所谓产业链,就是在生产和使用过程中的所有环节,都有人去负责,不论是使用、回收或者二次开发。

当今,我们对石油的依赖,并不仅仅是汽油,虽然它是比重最大的。转过来看,不管是上游的制氢企业,还是下游的用氢终端用户,并没有实现真正的联系。如果用户仅是使用燃料电池的新能源汽车,我想这个产业链并不会发展得很快。因为这种供求双方过于单一了,谁来做燃料电池车,谁来建设加氢站,届时又是一轮求补的呼声。很难产生市场与技术相会催化的正协同作用 。

说完产业链,再说说第二宗罪:贵金属催化剂。

燃料电池使用贵金属催化剂,是一个老生常谈却不能不谈的问题。因为我认为它是限制燃料电池发展的天花板之一。可能燃料电池的专家会说,燃料电池的成本不是催化剂,这点我很清楚,但是我仍要说它是燃料电池的天花板,是基因里带出来的缺陷。

在我看来,世界上有两种高成本材料,第一种是工业化不足,第二种是资源稀缺的。对于其产,通过规模化和技术进步,可以大大降低成本,比如燃料电池的成本最高的双极板。而对于后一种,规模化之后,带来的是成本的上升。这就如果镍氢电池的产量会左右镍钴矿石的价格一样。贵金属催化剂就属于后一种。

铂对于老百姓来讲,是一种奢侈品,而不是必需品。工业上,也是用于如电极、传感器这样的小众的产品。如果一旦铂变成了民用级产品,庞大的需求,会大大抬高它的价格。也就是说,燃料电池未来的成本呢,是不可估量的。虽然有专家信誓旦旦的说Miria上市,解决了贵金属催化剂的问题,虽然我看到了丰田将贵金属催化剂的实际产品上的用量,推向新低。虽然我承认,在技术上相当逆天,但是如果想大规模使用,可能还不够低。

燃料电池的第三宗罪:我称之为管理困难

管理困难是相对锂电池而言。燃料电池也好,液流电池电池也好,在管理上都比锂电池铅酸电池复杂一个纬度。如果我把锂电池定义为二维管理,即温度场和电场的话,那么燃料电池则是三维管理 ,即电场、温度场、流场。因此管理相当复杂。

有人把燃料电池的管理,称之为水热管理,这是很有道理的。举例说明,众所周知,燃料电池的反应是氢氧生成水,这个水就大有学问,首先水对于燃料电池来说是必须的,因为质子交换膜必须在湿润的环境下才能工作,而燃料电池的工作温度是60摄氏度,膜中的水分很难保持,需要人为加湿或者用反应产生的水来补充。这个水的量就很难控制了:如果水少了,膜会因为脱水而使电池内阻迅速上升,如果水多了,也会因为电极“水淹”使得电池放电能力迅速下降,正所谓多了不行,少了也不行。更何况电池的输出和环境温湿度也是在不停的变化的,如何在一个电堆中恰到好处的控制,困难之极。诸如此类,燃料电池从基因里带来的管理困难还有不少。所以,虽然燃料电池比锂电池的控制仅仅多了一个纬度,但是控制难度却多了几个数量级。

没有一种电池没有问题;也没有一种电池,能解决所有的问题。找到自己的应用场景,甚至多种电池联合使用,才是王道。

我很少参与锂电中铁锂与三元之争的嘴仗,因为永远没有结论。大家只是在维护商业利益,而不是技术之争。这就如同在争论学校的校医,和三甲医院的主治医师,哪个好一样。如果说强,主治医师必然获胜,但是校医不花钱、不排队、随时随地能给学校的孩子处理紧急或不太紧急的状况,所以主治医师永远代替不了校医,反之亦然。

这个例子,其实也就是说明了应用场景的重要。在我和别人说燃料电池更适合新能源汽车的时候,经常被人曲解。我从不认为锂电池不适合新能源汽车,而是锂电池不适用于所有的新能源汽车。在某一细分市场,可能更合适一些,比如现在正在热议的低速电动车。

在此,我想再多啰嗦一句:即使今天,那些被锂电池的“淘汰”的镍氢电池和铅酸电池仍在市场是大量的应用。虽然有短处,但是也必然会有长处,扬长避短,与市场需求磨合即可。因此锂电池的问题也没必要去回避,只要在自己合适的应用场景来发展,便会有很大的市场。

从形式上,燃料电池更适合于新能源汽车。但是技术上,还有很多问题要解决,而且是很难解决。燃料电池是最古老的电池,比铅酸的历史还要悠久。一百多年都没完成的事业,要想在几年内完成,还真是需要有两把刷子了。

科学是技术的天花板,只有科学进步了,天花板上移了,技术才有发展空间。但是科学不是发明,而是发现,需要准备,需要运气,更需要持之以恒。如果科学家都去做工程师的活儿了,天花板不动,即使齐天大圣一样的神通,再怎么折腾,也跳不出如来的五指山(这段是感慨,也是牢骚,看官请无视)。

最后,我想引用2006年某教授说的一句话作为结尾:“燃料电池肯定要火,但是是五年还是五十年,就不好说了”。如果当时看燃料电池的技术真要再等50年,那么以过去10年,我们可能还要再等40年。

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老张 大牛作者

电池行业从业人员。长期从事“非主流”电池技术的开发工作。对电池界的新技术,新思路,很感兴趣。希望能和大家多多交流。


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