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全面分析铅蓄电池、锂电池、氢能源发展前景

四、三种电池优劣势比较

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图片来源:SMM

(一)成本方面

铅酸电池历史悠久技术成熟成本要低于锂电池:1KWH的铅酸电池的价格在500元及以下,而1KWH的锂电池的价格达到1200元,目前铅酸电池价格还是有一定的优势,但随着锂电池相关技术发展加快,其价格呈下降趋势,优势很快会被抹平。

氢能源电池相对二者而言成本较高,一方面,制氢过程能量损失大;制氢要先从电解水开始,耗费电能,产生氢气,氢气再发电过程中还会有能量损失;且电解水的电目前也是以煤电产生为主,烧煤发电也会有能量损失。

另一方面,催化剂金属铂十分稀缺;在氢燃料电池发电的过程中需要使用金属铂作为催化剂,其价格非常昂贵。大规模生产氢燃料电池,铂金属将会因为需求增加价格上涨,且其本身就十分稀缺。

第三个方面,氢的运输成本不菲;现在常见的氢 气运输方式是采用高压气罐,但这种方式的单次运输量非常有限。另一种方式是液态运输,但是要将其保持在-252.77摄氏度,意味着非常高昂的成本,不太现实。还有一种方式是固体储氢,利用固体对氢 气的物理吸附或化学反应,将氢储存于固体材料中。固体储氢方式安全稳定,但是能在常温下还原的多为钯、铑等稀有贵重金属,同样不太现实。

此外,更为重要的是加氢站的建设成本。一座加氢能力大于200公斤的加氢站建设成本在1000万元以上,如此高昂的建设成本成为加氢站快速发展的最大障碍。

(二)环保方面 

铅酸电池由于含有重金属铅,在生产中会产生污染,废旧电池处理不当也会产生污染。而锂电池生产中产生的污染非常小,废旧电池中只存在少量的污染成分。

氢能源电池对环境无污染。它是通过电化学反应,燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

(三)效率方面

铅酸电池就寿命、能量密度以及充放电效率方面均不及锂电池和氢能源电池。

锂电池能量比较高,具有高储存能量密度,已达到460-600Wh/kg,是铅酸电池的约6-7倍;同时,使用寿命可达到6年以上,磷酸亚铁锂为正极的电池1C(100%DOD)充放电,有可以使用10,000次的记录。

氢燃料电池储能密度高,大约为1kWh/kg,且重量轻,续航里程普遍更远。通常会超过500公里,而纯电动汽车则根据电池容量的大小,目前大部分纯电动汽车续航里程在300公里左右,少数车型可以达到400~500公里。

此外,加氢就像加油一样,一般只需3~5分钟。而电动汽车的充电则是一个缓慢的过程。即使特斯拉推出了超级充电站,通常也需要1个小时以上。氢能源电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。

(四)安全方面

铅酸电池历史悠久技术成熟安全性要高于锂电池,铅酸电池能在复杂的环境中使用。而锂电池对环境要求相对较高,对充放电电流电压要求较高,一旦过充或者过放都有可能导致不可逆转的损坏。锂离子电池储存的总能量和其安全性是成反比的,随着电池容量的增加,电池体积也在增加,其散热性能变差,出事故的可能性将大幅增加。

由于燃料电池直接采用空气中的氧做氧化剂,空气中的杂质如SO2、H2S等有害气体进入燃料电池中,引起燃料电池阴极催化剂“中毒”,造成阴极催化剂不可逆转的损伤,从而导致燃料电池性能下降。

尽管氢能源电池有一定安全隐患,但谈“氢”色变的观念已经过时,氢气泄露速度快于常见燃料,但泄漏总能量不高,氢 气具有很高的扩散系数和浮力,泄漏时可迅速降低浓度,氢气爆炸极限范围宽,但爆炸能很低且不产生浓烟和灰霾,氢脆现象会引起金属脆化裂纹,可以选用合适的材料防护避免。

五、三足鼎立 谁能胜出?

谁能胜出在于市场选择。

铅蓄电池随着电动自行车、汽车等铅的终端消费品产量下滑,以及铅蓄电池在部分领域面临被锂电池和氢能源电池渗透的压力,未来铅产业消费动力不足,消费将逐步步入平台期。2019年,随着生态保护和污染防治工作的深入推进,以及下游消费市场持续低迷,铅蓄行业转型升级的任务将更为迫切。

汽车产业逐步进入新能源汽车时代,机遇远远大于挑战。新能源车型的结构将由低端车型向中高端车型发展,随着新能源汽车市场的逐渐成熟,新能源车型同燃油车一样将会受到消费升级的带动,由低端向中高端车型升级。

然而,与纯电动汽车相比,燃料电池汽车不仅在我国,在全世界的推广应用都不太理想。本世纪初,在动力蓄电池能量密度达不到汽车使用需求的前提下,专家多认为燃料电池汽车是电动汽车的终极阶段,这可以理解。但是近年来,动力蓄电池技术已有重大进步,对此结论应重新评估。就当前技术状况,动力蓄电池电动汽车更适用于城市、短途、乘用车,而燃料电池汽车更适用于长途、重载、商用车。二者是互为补充的关系,并不是互相替代的关系,至于将来孰优孰劣,由于技术还在发展,基础设施正在建设,商业模式也在持续不断创新,仍存在巨大变数。

氢能燃料电池技术需要加快发展,这符合我国能源革命的需要。“但氢和电都是能源载体,并无‘终极’之说。”中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高认为,小型轿车对能量要求较低,锂电池可能发挥更大作用,“所以就新能源汽车而言,燃料电池与纯电将来会是共生共存”。

“纯电动、氢燃料和混合动力,都有各自的优势,中国市场这么大,三条技术路线在今天和明天都是需要的。”在5月12日举行的第十届汽车蓝皮书论坛上,上海交通大学智能网联电动汽车创新中心主任殷承良说,至于未来究竟谁能胜出,“取决于技术进步和市场选择”。

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