新能源汽車銷量旺盛的背后，上游鋰電池的供給卻不太樂(lè)觀，寧德時(shí)代、蔚來(lái)的創(chuàng)始人都曾透露，新能源汽車行業(yè)正在面臨“電池荒”的問(wèn)題。2021年，在28種鋰電材料價(jià)中26種價(jià)格上漲，無(wú)一下跌。其中，最大年漲幅達(dá)426.42%！動(dòng)力電池的供不應(yīng)求導(dǎo)致原材料價(jià)格的瘋狂上漲，而這種供不應(yīng)求很有可能會(huì)延續(xù)到2025年。在這樣的背景下，相關(guān)企業(yè)開(kāi)始搶占鋰資源，擴(kuò)充產(chǎn)能，同時(shí)尋找新一代電池技術(shù)和“新能源”。

也因此，諸如鈉離子電池、固態(tài)電池、鋁電池等新的動(dòng)力電池技術(shù)，以及氫能為代表的燃料電池，在最近一段時(shí)間成為比較熱門的話題，那么這些能不能代替鋰電池成為電動(dòng)汽車的裝載方案呢？

首先是鈉離子電池，此前寧德時(shí)代曾發(fā)布了一款鈉離子電池，并獲得業(yè)內(nèi)外人士一致好評(píng)。雖然從儲(chǔ)能角度來(lái)看，鈉離子電池相比鋰離子電池，還有一定差距。但鈉離子電池，也有鋰離子電池所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

鈉離子電池?fù)碛懈鼜?qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力，即便是零下20度也能穩(wěn)定工作，借助該產(chǎn)品幫助，電動(dòng)車在高緯度地區(qū)將快速普及。不僅如此，鈉離子電池充電速度還更快。在充電站數(shù)量不斷增多的背景下，鈉離子電池快速充電的優(yōu)點(diǎn)，有望掩蓋續(xù)航里程短的缺陷。

而鈉離子電池最大優(yōu)勢(shì)在于鈉比鋰更加便宜、且資源更豐富，鈉電池的BOM成本也比鋰電池低20%，是比磷酸鐵鋰電池成本更低的電池。這讓電池生產(chǎn)商可以大幅降低電池生產(chǎn)成本，從而帶動(dòng)電動(dòng)汽車價(jià)格下降。

值得一提的是，雖然鈉離子電池進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間并不長(zhǎng)，但事實(shí)上，鈉離子電池早在上世紀(jì)80年代就出現(xiàn)在了科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中。過(guò)去三、四十年，科學(xué)家關(guān)于鈉離子電池的研究一直都沒(méi)有停止過(guò)。從技術(shù)儲(chǔ)備以及技術(shù)成熟度來(lái)看，鈉離子電池是唯一有可能取代鋰離子電池地位的產(chǎn)品。事實(shí)上，之前鈉離子電池已經(jīng)替代鋰離子電池，成為固定設(shè)施應(yīng)急電源的主力軍。而全球范圍內(nèi)有意用鈉離子電池取代鋰離子電池的廠商，并不是只有寧德時(shí)代。美國(guó)、日本多家研究機(jī)構(gòu)都在研究相關(guān)命題。

鈉電池之所以還未獲得與鋰電池同等的市場(chǎng)地位，主要原因還是在于能量密度還不夠高。目前，市場(chǎng)上鈉電池的電芯能量密度普遍在100-150Wh/kg，低于磷酸鐵鋰電池的180Wh/kg。相信隨著鈉電池材料等技術(shù)的創(chuàng)新突破，鈉電池或?qū)⒅匕趸貧w，除了鈉離子電池，固態(tài)電池也是也是很有可能替代鋰電池的動(dòng)力電池技術(shù)。固態(tài)電池，具有高能量密度、高導(dǎo)電率、安全性高等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為汽車鋰電池的終極形態(tài)。甚至有專家放出豪言：“全固態(tài)電池普及之日，就是燃油車退出歷史舞臺(tái)之時(shí)?！?/p>

固態(tài)電池，就是使用固體材料作為鋰離子來(lái)回移動(dòng)的電解質(zhì)。在目前常用的汽車電池中，基本采用電解液作為電解質(zhì)，某種程度上可以將其稱為液態(tài)鋰電池。液態(tài)鋰電池可能因短路、高溫而發(fā)生起火，鋰離子在反復(fù)沉積和析出過(guò)程中，金屬鋰負(fù)極表面容易生長(zhǎng)出鋰枝晶，并發(fā)生粉化，大大降低了電池的利用率，從而縮短電池使用壽命。

枝晶在電解液內(nèi)生長(zhǎng)，有時(shí)候會(huì)穿透隔膜，就會(huì)引發(fā)漏液，接著就會(huì)引發(fā)電路短路，最后電池高溫自燃。平時(shí)經(jīng)常在新聞中看到電動(dòng)汽車自燃事故，其中大部分都是因?yàn)橹Н倽q，從而引起電解液漏液。固態(tài)電池電芯內(nèi)不含電解液，也不需要電解質(zhì)鹽與隔膜，徹底杜絕了漏液引發(fā)的自燃問(wèn)題。

此外，固態(tài)電池沒(méi)有液體，也就不需要復(fù)雜的封裝系統(tǒng)，也不需要BMS溫控組件。汽車動(dòng)力電池，并不是像四驅(qū)車那樣將柱狀電池直接塞到電池盒內(nèi)，需要用一層層包裝將這些柱狀電池、方形電池包起來(lái)，然后組成電池包，最后再將其安放在汽車底盤上。這一層層包裝，其實(shí)就是復(fù)雜的封裝與溫控系統(tǒng)，保障汽車安全。

固態(tài)電池技術(shù)出現(xiàn)后，封裝系統(tǒng)可以更加簡(jiǎn)單，電芯占電池包的比重也更高。如此一來(lái)，電池包整體能量密度也會(huì)得到相應(yīng)提升。綜合來(lái)看，固態(tài)電池有望突破500Wh/kg瓶頸，將電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程提高到1000公里以上。

電池尺寸小、安全性強(qiáng)、續(xù)航里程長(zhǎng)，固態(tài)電池簡(jiǎn)直就是完美的鋰電池技術(shù)，可是，理論數(shù)據(jù)再好也沒(méi)用，固體電池技術(shù)研發(fā)難度太大。

去年1月，蔚來(lái)高調(diào)發(fā)布固態(tài)電池包，聲稱將在蔚來(lái)ET7轎車上使用；去年4月，寶馬發(fā)布固態(tài)電池規(guī)劃，計(jì)劃在2025年前推出固態(tài)電池原型車，2030年前量產(chǎn)。除此之外，汽車動(dòng)力電池“御三家”寧德時(shí)代、LG化學(xué)、松下也紛紛開(kāi)展固態(tài)電池研發(fā)計(jì)劃，一個(gè)屬于固態(tài)電池的時(shí)代似乎即將來(lái)臨。

不久前，全球首款鋁電池問(wèn)世，這也讓我們看到除鈉離子電池和固態(tài)電池以外的另一種可能。鋁離子電池EaI不僅性能比鋰電池更強(qiáng)勁，還在續(xù)航、安全、循環(huán)次數(shù)等方面全面超越鋰離子電池。鋁離子電池EaI的能量密度為1500Wh/L，或能提供600Wh/kg能量。作為對(duì)比，即便是當(dāng)下最先進(jìn)的三元電池所能提供的能量不過(guò)200Wh/kg。而一組15KW的鋁離子電池，能為電動(dòng)汽車提供1200公里的續(xù)航，支持20000次循環(huán)充放電，在汽車上的壽命長(zhǎng)達(dá)15年。

此外，鋁離子電池沒(méi)有使用鈷、鎳等貴金屬，也沒(méi)有枝晶困擾，熱失控等，并且充電速度短得驚人。從技術(shù)上來(lái)看，鋁離子電池的前景的確非常廣闊。而從價(jià)格來(lái)看亦是如此，受電池荒影響，應(yīng)用于三元鋰、磷酸鐵鋰電池的金屬鋰、鈷等價(jià)格持續(xù)上漲。

隨著鋰、鈷價(jià)格的上漲，市場(chǎng)急需尋找更具有性價(jià)比的材料。如今看來(lái)，鋁就是一個(gè)很好的替代者。無(wú)論是從參數(shù)，還是發(fā)展前景，鋁離子電池的確比鋰離子電池更優(yōu)秀。倘若鋁離子固態(tài)電池真的能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，那么它將極大推動(dòng)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。不過(guò)，從產(chǎn)業(yè)鏈布局、資本投資以及技術(shù)等多方面來(lái)看，鋁離子電池想要替代鋰電的方案比較難。

除了以上幾種動(dòng)力電池技術(shù)，以氫能源為主的燃料電池則是真正意義上的無(wú)污染能源，也是未來(lái)替代動(dòng)力電池的最好方案。而氫燃料電池汽車將在北京冬奧會(huì)重點(diǎn)推廣。北汽福田汽車近日交付的212臺(tái)氫燃料客車是為冬奧會(huì)北京延慶賽區(qū)提供的。目前共交付了近500輛氫燃料客車，用來(lái)為張家口賽區(qū)和北京延慶賽區(qū)提供服務(wù)。

此外，冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)舉辦期間，豐田將首次在中國(guó)投入大規(guī)模使用的FCEV“第二代MIRAI”、“柯斯達(dá)氫擎”，以及多款BEV、HEV車型。

從環(huán)保角度出發(fā)，無(wú)疑電動(dòng)車和氫能汽車都是符合要求的。但如今鋰電池成本持續(xù)攀升，政府補(bǔ)貼又逐漸退坡，電動(dòng)車性價(jià)比大幅下降，那么氫能源汽車是否具備替代電動(dòng)車的機(jī)會(huì)了呢？

在探討氫能源對(duì)動(dòng)力電池的替代之前，首先要搞懂什么是氫能源汽車。從字面意思不難理解，氫能源汽車就是以氫氣作為主要?jiǎng)恿?lái)源的汽車。但實(shí)際上，氫能源汽車存在氫燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)兩大分支路線，他們之間有著本質(zhì)上的區(qū)別。

氫燃料電池系統(tǒng)雖然有“燃料”二字，但實(shí)際上卻并不通過(guò)燃燒來(lái)進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，而是氫氣在燃料電池堆中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，然后再通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。這套動(dòng)力系統(tǒng)看似復(fù)雜，但卻擁有干凈環(huán)保，能量轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)勢(shì)。

與電動(dòng)車類似，氫燃料電池的最大的改變就是這套燃料電池堆及輔助系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱BOP），同時(shí)也是成本占比最高的部分，約占整車總成本的60%以上，其中電堆又占到BOP系統(tǒng)成本的60%。

由于氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化率高，同時(shí)安全系數(shù)也很高，因此被市場(chǎng)看做是具備爆發(fā)潛力的賽道，也是被看做是電動(dòng)車最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

從裝機(jī)量來(lái)看，中國(guó)燃料電池系統(tǒng)僅處于發(fā)展初期，尚未進(jìn)入紅利釋放期。2019年全國(guó)燃料電池裝機(jī)量126.4MW，而疫情下的2020年，這一數(shù)據(jù)同比下降36%至80.4MW，顯示出極強(qiáng)的波動(dòng)性。

盡管氫燃料電池汽車已經(jīng)具備了替代電動(dòng)車的潛力，但其遲遲無(wú)法大規(guī)模推廣，核心原因就在于成本。這里的成本主要有三方面，其一氫燃料電池汽車的整車成本；其二加氫站成本；其三則是制氫成本。

首先，氫燃料電池汽車目前的整車成本依然偏高，具有很大的下降空間。BOP系統(tǒng)是氫燃料電池汽車占比最高的成本要素，其中燃料電池堆又是BOP系統(tǒng)中占比最高的。因此BOP系統(tǒng)和燃料電池堆的價(jià)格直接決定了整車成本的高低。單從應(yīng)用角度來(lái)看，氫燃料電池在汽車中的使用已經(jīng)不成問(wèn)題，但由于缺少規(guī)模優(yōu)勢(shì)，使得相關(guān)技術(shù)的迭代速度很慢，這直接造成了BOP系統(tǒng)的價(jià)格難以下降。

例如氫氣在燃料電池堆的反應(yīng)過(guò)程中需要用到催化劑，傳統(tǒng)催化劑需要用到很多貴金屬鉑（Pt），但實(shí)際上金屬鉑并非唯一的選擇，通過(guò)降低鉑的含量或者尋找替代品，依然能夠起到催化作用。

類似的技術(shù)改進(jìn)幾乎可以出現(xiàn)在BOP系統(tǒng)各個(gè)分支之上，從成本角度考量，氫燃燒電池汽車距離“完美”依然有很大的距離。

其次，加氫站的短缺也是制約氫燃料電池車輛發(fā)展的重要原因之一。氫氣是氫燃料電池汽車的核心燃料，但氫卻并不能輕易得到，與到處都是的加油站對(duì)比，加氫站的數(shù)量可謂鳳毛麟角。即使目前，氫燃料電池汽車的單價(jià)已經(jīng)降至很低，但如果周圍沒(méi)有加氫站提供燃料，那么也不會(huì)有消費(fèi)者購(gòu)買它。

加氫站到底有多么稀缺呢？截至2020年底，中國(guó)累計(jì)建成加氫站118座，其中101座已經(jīng)正式投入運(yùn)營(yíng)，且有167座仍在建設(shè)中。剛剛過(guò)百的加氫站數(shù)量，意味著對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，氫燃料電池汽車幾乎不具有應(yīng)用性。

目前，我國(guó)建造一個(gè)加氫站的成本約1500萬(wàn)元，這還沒(méi)有包括后續(xù)的運(yùn)維費(fèi)用。但好的一點(diǎn)是，國(guó)內(nèi)的加氫站的核心產(chǎn)品幾乎都做到了自主研發(fā)。從成本端看，加氫站成本最高的是壓縮機(jī)，約占整個(gè)加氫站總成本的30%。

第三，氫氣的價(jià)格更是直接影響到終端的使用成本。現(xiàn)階段，我國(guó)氫氣來(lái)源主要依靠煤炭、工業(yè)副產(chǎn)和天然氣。這些制氫方法雖然可以盡量的降低成本，但由于制氫過(guò)程中同樣涉及到碳的排放，因此并不是真正的“新能源”。

行業(yè)中將由“電解水”方式得到的氫氣稱為“綠氫”，它也被市場(chǎng)公認(rèn)為氫能源的最佳答案。電解水制氫的原理就是在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。

目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模化的電解水技術(shù)主要以堿性電解水為主，質(zhì)子交換膜電解水與固體氧化物電解水尚處于發(fā)展階段。堿性電解水的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，配套成本低，但缺點(diǎn)則是過(guò)于耗電，未來(lái)有可能被其他路線所取代。

由于電解水制氫中，需要用到大量的電，因此最終氫氣價(jià)格直接與電價(jià)高度相關(guān)。按照估算，如果電價(jià)能夠低于0.3元時(shí)，那么電解水制氫的成本就能夠跟其他制氫方法持平。

雖然氫燃料電池?zé)o法在短時(shí)間內(nèi)取代動(dòng)力電池，但其卻可以在部分場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)于鋰電池汽車的互補(bǔ)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳中和之路。

總結(jié)：隨著鋰電池原材料價(jià)格的上漲，汽車和電池企業(yè)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，這迫使企業(yè)加大對(duì)電池技術(shù)研發(fā)的投入，企業(yè)需要通過(guò)創(chuàng)新探索新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新商業(yè)模式，這將對(duì)建立電池技術(shù)新體系起到積極推動(dòng)作用。無(wú)論是固態(tài)電池、鈉離子電池、鋁離子電池還是氫燃料，在中國(guó)制造2025里面提出動(dòng)力電池能量密度需要突破400Wh/kg，要達(dá)到這樣一個(gè)目標(biāo)，對(duì)電池企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)都提出了新的挑戰(zhàn)。