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锂电和氢能,谁代表未来?

日期:2022-08-18    来源:JIC投资观察

国际储能网

2022
08/18
15:00
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关键词: 锂电材料 氢能 储能材料

随着环保意识的增强,新能源近几年成为人们最常接触的话题。以锂电为代表的新能源汽车,销量不断攀升,逐渐取代传统燃油车。各国陆续推出停售燃油车时间表,在我国很多大城市电动车不限号不限行,新能源成为最火热的赛道之一,新能源板块托起半个股市。

今年7月,国家发布了3条氢能相关文件,地方18省市发布了33条政策。总体来看,在“双碳”背景下,除了锂电,氢能也是另一种新能源的代表,最近也乘着政策的东风,后起直追。

01

锂电和氢能目前均发展较快

2022年6月,新能源乘用车产量56.4万辆,销量53.2万辆,同比增长130.8%,环比增长47.6%。2022年上半年,锂电新能源汽车合计渗透率超20%,动力电池装车量同比翻番。

据中国汽车工业协会数据,2022年上半年,新能源汽车销量259.15万辆,同比增长117%。新能源汽车产量265.36万辆,同比增长118%。新能源汽车渗透率21.5%,同比增长12.2%。动力电池装车量110.12GWh,同比增长110%。动力电池产量206.45GWh,同比增长176%。

相比锂电,氢能目前市场很小。截至2021年,全球主要国家氢燃料电池汽车保有量约5万辆,中国占比约18%,保有量约9000辆。2022年上半年,我国氢燃料电池汽车增长较快。2022年6月,氢燃料电池汽车产量为527辆,销量为455辆,同比分别增长18.7%和67.3%,环比增长117%、342%。今年1-6月,中国氢燃料电池汽车产量超过1500辆,销量接近1400辆。

7月25日,国内首款氢燃料电池轿车长安深蓝SL03正式上市。作为国内首款量产的氢燃料电池轿车,续航里程达730km,可实现3分钟超快补能。之前,广汽集团发布了全新的氢能源动力系统,并发布全新的氢能源MPV概念车绿境SPACE。据悉长城汽车已完成对燃料电池乘用车的产品规划,并计划以独立品牌推出。

北京冬奥会期间共运行了超过1000辆氢能源汽车,车辆由丰田、北汽集团、福田汽车、宇通客车等车企提供,车型包括大巴、公交、轿车、特种车等。这是氢燃料电池汽车第一次在超低温、长距离、高频率的环境下大规模使用。

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二者工作原理简介

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

氢能源车是将氢燃料储存在储能罐,通过与外部空气中的氧气发生反应,产生电力并通过电驱动电动机,再驱动汽车。例如,丰田Mirai就是用上述氢燃料电池的技术驱动。氢能源燃料电池对环境无污染,如果氢是通过可再生能源产生的,整个循环不产生有害物质排放。

锂电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。充电时,锂离子从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。充电时,负极嵌入的锂离子越多,充电容量越高;放电时,嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

03

锂电和氢能的比较

能量利用效率

锂电池和燃料电池都是利用电,但锂电池是直接用电,而氢还需要通过电转化而来,因此氢作为二次能源,能量利用效率低于锂电池。马斯克看不上氢燃料电池,也是因为这个。

能量密度

能量密度越高,续航里程潜力越大,负重的潜力也越高。常用能源中,能量密度(比能)大致为:氢燃料(142Mj/Kg)>天然气(55Mj/Kg)>汽油(46Mj/Kg)>煤(30Mj/Kg)>锂电池(一般不超过1.8Mj/Kg)。

氢燃料电池能量密度大,重量轻,续航里程普遍更远。比如丰田Mirai第二代,可以做到充氢3分钟,续航850千米。锂电池纯电动汽车则根据电池容量的大小决定,随着技术进步,续航里程不断提高。氢气加注比充电快,乘用车加氢一般需要3-10分钟,锂电池充电一般需要半小时以上。

环保节能

氢燃料电池在使用寿命结束后,并不会对环境造成污染。氢燃料电池中催化剂使用贵金属铂,其存在于整车的氢燃料电池中,且因铂的化学属性,相对容易回收。

锂电池含有重金属镍、钴、砷等有毒污染物,必须要进行回收处理,如果回收不当,会造成环境污染。废旧锂电池的资源化回收工艺复杂,流程长,能耗高,在资源化回收过程中会产生较多的污染物。并且锂电池相对分散,大家对废旧电池回收意识比较薄弱,所以目前锂回收还处于产业化的早期阶段。

现在很多观点认为,纯电动汽车只是在使用周期阶段是零排放的,但是整个生命周期中并非零排放。

基于我国现有的煤电为主的结构,上游原材料供应链环节中碳排放占到70%以上。从原材料和整个产业链看,锂电和氢能都不是零排放。从整体产业链角度来看,氢燃料电池可以实现接近零排放。目前氢的来源主要分为绿氢、蓝氢、灰氢,如果实现绿氢,则可以接近零排放。但燃料电池和锂电池的污染均主要集中在上游,比起处理分散的汽油车尾气排放,上游的集中治污更容易。

资源依赖

锂资源的总量分布有限,地壳丰度为0.006%。根据美国地质调查局统计,全球的锂资源分布不均,主要分布在智利、中国、阿根廷、澳大利亚、玻利维亚等国。中国的锂资源储量虽然相对丰富,但受限于开采技术和成本仍高度依赖进口。锂资源短缺的局面让动力电池厂商面临着考验。随着盐湖提锂技术,以及钠电池、固态电池等技术的发展,这一情况将得到改善。

氢气在整个工业体系里面很丰富,包括工业副产氢、煤制氢、天然气制氢等,足以支持早期的氢能源供给。水通过光分解可制得氢,水的储量大且低廉,氢燃料燃烧后又生成水,是一种燃烧无害的清洁能源。随着光伏电解水制氢、太阳能制氢等技术的突破,制氢成本越来越低,氢的来源也会愈加环保。

但氢燃料电池需用贵金属铂做催化剂,铂的全球储量有限,我国储量并不丰富,这一定程度提高了氢能源电池的价格。随着技术进步,铂的使用量减少,催化剂中铂的替代品不断被研发出来,这一问题亦将得到改善。

安全性

今年7月22日,艺人林志颖驾驶一辆特斯拉发生车祸。林志颖驾驶特斯时突然右偏撞上路边隔离带,车辆起火。姑且不论是否为车辆缺陷问题导致,实际上随着新能源汽车销量不断攀升,电动车碰撞后起火事件时有发生。锂电池作为封闭的能量体系,从原理上高能量密度和安全性很难兼容。

锂电池是一个高能量体,其安全性问题主要集中在燃烧或爆炸。在运行过程中如果出现一些小故障,小故障不断积累导致安全风险变大,因此运行中的安全监测很重要。当锂电池因故短路时,内部温度升高,电池正负极、电解液、隔膜间将发生化学反应,产生大量的热量与气体,到一定程度就会引起电池着火。电动汽车起火主要原因之一即外部碰撞,碰撞后容易起火是新能源电动车的特征。比如工信部组织制定的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中规定,电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。

氢气的安全性也一直被人们关注。虽然研究表明,氢气的安全系数比汽油高,但在很多人眼中,储氢罐就像一个炸弹。在氢燃料汽车和汽油车的对比试验中,由于氢气的密度很低,溢出后会迅速上升并扩散,即使着火,也会发生在气源上方,远离车内乘员。

对于氢燃料来说,泄露与控制是其电池系统安全隐患的主要来源,锂离子电池的安全隐患则主要来自于不易控制的化学反应。锂电池的化学反应速度快,控制难度要高于燃料电池。但如果遇到极端剧烈碰撞,燃料电池的危害程度可能会更大。任何能源都有一定的安全性问题,随着技术进步,高安全性会不断提高。

性价比

买车成本方面,传统汽油车主要为发动机,纯电汽车主要为锂电池,氢能源汽车主要为电池组和高压储氢罐。用车成本方面,主要为油价、电价和制氢成本。

配套建设和用车便利性方面,加氢站建设成本远高于加油站和充电站。充电站现阶段依托现成的电网系统,只要铺好充电桩就可以获得能源,配套成本很低。但如果大规模推广,现有电网的容量冗余用尽后,亦需要配套投入和扩容。充电站要提高利用率和用户便利性,必须快充,那么需要同步建设变电站等配套,对现有电网负荷造成一定冲击。充电站将配套成本部分外部化给了电网,这是其优势。

就目前的技术程度,无论是氢燃料电池还是锂电池,价格都要高于传统的汽油车。特别是氢气的来源、存储以及安全使用等条件的复杂,导致氢燃料电池成本居高不下,短期内难以取得优势。但结合氢燃料电池和锂电池发展的阶段来看,未来随着技术进步和商用化规模扩大,氢能成本下降空间可能更大。

这些年,锂电池的价格在技术和商业规模的驱使下,价格实现了成倍下降。常识告诉我们,氢气比电易于储存,这是其属性决定的。这种特性决定了大规模生产和使用时,氢能的成本下降空间更大。规模越大,储氢越具有经济性。氢燃料电池是适合进行大工业生产的产品,只要产量达到一定规模,成本下降会很快。过去三年间,氢燃料电池的发动机成本已经处在一个快速下降的状态。







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