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推动铝电池产业化的公司真的都是傻子吗?
发布时间:2019-06-10 11:03:07
关键词:动力电池 锂电池

推动铝电池产业化的公司真的都是傻子吗?


近日,青年汽车在南阳市搞“Very good”的水氢发动机,让高中化学彻底火了一把。之后,某大佬公开吐槽庞青年式铝粉+水制氢产业化,是只有傻子才干的事,又让铝制氢及相关的电池成了骗子和傻子的代名词。


在普通大众看来,铝水反应在汽车上应用已经无形中被判了死刑。然而这一切,都为铝这一重要储能金属带来了巨大的误解。


一、氢能源、制氢以及铝制氢


氢气作为人类梦寐以求的理想能源,储量丰富,绝对环保,且可再生,一直以来都在新能源之路上给我们无限美好的诱惑。 


尤其在汽车领域,氢燃料电池加氢快,能量密度完爆锂电池。当前锂电池的能量密度水平在300KWH/kg上下,上限水平最多再翻一番,而且还要面临巨大的安全风险。与之对应,汽油的能量密度约为1700KWH/kg,而氢燃料的能量密度比起汽油还要以几倍计量。


正是因为氢气拥有在能量密度、充电速度等方面的优势,在当前锂离子电池已经走到能量密度瓶颈的阶段,氢燃料电池无疑给了人们无限希望。也正是如此,今年一季度以来,在二级市场上,氢燃料电池概念股全线飙涨;在一级市场上,各类氢燃料电池相关公司闻风而动,并催化出了南阳水氢发动机这样的闹剧。 


但不可否认的是,氢燃料电池虽然优点众多,但氢能源却是一种二次能源,自然界中的氢绝少以氢分子的形式单独存在。所以,要想使用氢,我们必须得制氢。


目前制氢一共四大主流方法:化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢和电解水制氢。此外还有一些非主流的另类制氢方法,被归到其他制氢方法里。金属制氢就是其中一种,而铝制氢,属于金属制氢的一种。四大主流制氢方法和其他制氢方法如下表所示:


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(主要制氢方法,来源:华创证券)


各类制氢方法各有千秋,但用在新能源汽车这个领域,我们主要考虑两个指标。


一是成本。新能源汽车毕竟要走进千家万户,由终端消费者来使用,是否具有成本竞争力,是消费者选择一款产品的重要考量因素,天价的产品,必然不是民间的选择。


二是清洁,毕竟用氢燃料取代传统化石燃料的原因,就是因为清洁,如果氢的来源就是传统化石燃料,那么为什么不干脆烧传统燃料呢?还避免了转换过程的能量损失。


我们先来看成本。


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(主要制氢方法成本,来源:氢云链)


传统制氢方法中,煤制氢成本最低,一公斤11.2元,其次是天然气制氢,然后是氯碱副产品,最后是甲醇裂解制氢。电解水最贵,一公斤氢气制出来,需要37块钱。


而用铝制氢就比较厉害了。根据铝粉17.6元/kg的价格,九公斤铝产生一公斤氢气的比重,生产一公斤氢气的价格大概是158.4元。铝制造氢气的同时,每公斤铝会产生2.89公斤的氢氧化铝,把这些氢氧化铝卖破烂,大概2.3元一公斤,九公斤铝产生的氢氧化铝大概能卖60块钱。综合起来,铝制氢一公斤氢气的成本大约98.4元。


至少以目前的价格来看,铝制氢气要比主流方法里最贵的电解水还要贵上将近两倍。


成本上首先不划算。


其次我们来看环保效益。


主流方法中,天然气和煤就不用说了,本身就是不可再生的稀缺资源,用来制氢,不符合可再生的要求。甲醇制氢,有二氧化碳排放,但好歹不是有毒物质,同时由于甲醇的可再生性,这个方法作为一个折中方法,勉强可以接受。今年上海车展,爱驰汽车展出用来一辆氢燃料增程式电动车,用的就是在线甲醇制氢,给氢燃料电池供氢气,氢燃料电池再给锂电池供电,带动汽车运转的模式。


氯碱制氢,是当前制作氢气的最主流方法之一。但他是烧碱工业的副产品,受主产品产量的影响。氢气用量少的时候可以,氢气用量多的时候,不能老用其他产业的副产品,根本不够用。而与此同时,氯碱工业的制氢方法,其实就是电解氯化钠水溶液。将氢气变成主产品,不要制造出烧碱和氯气,那就直接电解水。 


这就是最贵的电解水方法。 


电解水与其他所有制氢方法不同,其他方法制氢的主要成本是原料成本。电解水的主要成本在于用电,大概占总成本的77%。


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(电解水制氢方法成本结构,来源:华创证券)


而从发电的角度看,如果电力主要来源还是火电,那么最终污染仍然不可避免,氢燃料终极清洁能源的称号就名不副实。


正因如此,近年来从降低成本,保持清洁的角度考虑,沿着电解水制氢的路线衍生出另外一条思路——那就是,使用光伏、风力发电的清洁能源进行电解水制氢,为氢燃料电池提供原料。由于光伏发电和风力发电所产生的电量不稳定,长期以来无法并网;而富光、富风的区域本地无法消纳大量光伏、风电发电的电力,多年以来我国都有所谓“弃光、弃风”现象。2017年主要清洁能源地区“弃光、弃风”比率仍然高达20%。如果将这些地区大量白白弃用的清洁能源电力,用于电解水生产氢气,无疑既能解决清洁能源的问题,又能解决无污染制氢和氢气成本高的问题。


同时在这个过程中,氢气起到了储能的作用。电能通过氢气,可再生能源、储能电池、车得到了很好的连接与使用,这也符合未来能源发展的长期需求。这就是为什么在很多人眼里看起来很傻的电解氢-再烧掉的技术路线,实质上反而是一种很好的发展路线的原因。据说当前日本本土电解水制氢的比率已经高达63%。


然后再来看铝制氢技术。


在环保层面,铝制氢技术的最大优点就在于,铝从铝粉变为氢氧化铝,整个过程中铝金属没有损失,通过回收,可以持续使用可再生。但缺点在于,铝金属的制备仍然是高耗能、高污染的行业,对于制造终极燃料——氢气来说,在有可替代方案的前提下,优势并不明显。从这个角度而言,说进行铝粉制氢量产化是傻子才做的事,其实并不为过。


然而铝燃料的故事到此并未结束,在不同的场景,他将转角遇到爱。 


二、铝空气电池——后锂电时代的新星


近期SK在中国大兴土木,到2025年,要扩产20倍的产能。有人以讹传讹,传出了SK要在2025年把锂离子电池能量密度提升20倍的神话。只可惜不仅SK无此计划,锂离子电池本身也无法承担此重任。由于理化特征限制,锂离子电池在走到三元镍钴锰8:1:1的时代基本已经走到尽头。尽管SK在努力向9:0.5:0.5进发,然而能量密度的极限最多也只能达到比目前水平翻倍,保持在500WH/KG的水平。对于翻20倍,达到5000WH/kg的能量密度,绝对是只能望洋兴叹。


这样一个现实,对于锂离子电池来说,是极其沮丧的。尤其在汽油1700WH/kg的高能量密度面前,更是不免丧气。


然而5000WH/kg的能量密度的电池并非不可达到,只不过这样的电池已经不再是锂离子电池。在各国的后锂电时代中,金属-空气电池这一话题不断被提及,而铝-空气电池就是其中最重要的一支。下图展示了日本NEDO的电池研发计划,在右下角的红色区域,革新电池那里,金属-空气电池赫然在目,铝空电池排在最前面。日本给这一发展方向的规划时期是2030年以后。虽然久远,然而确确实实是未来发展的方向之一。


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对比当前的锂离子电池来说,铝空气电池的最大优点在于能量密度高,理论能量密度高达8100WH/kg,与当前能量密度最高仅350WH/kg左右的锂离子电池相比,天上地下,开着铝空气电池车几乎可以环游世界。 


然而铝空气电池也有不足。他的最大弱点,在于功率密度低,只有50-200W/kg,而锂离子电池基本在6000W/kg以上。这意味着铝空电池放电速度特别慢,你开着铝空电池的小车车,只能以蜗牛的速度在行驶。


当然这只是最大的优缺点对比。铝空对锂离子的其他优缺点对比如下表,


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(铝空电池与锂离子电池优劣势比较,来源:OFWEEK)


由表可见,铝空气电池在毒性、可循环利用性、元素储量等方面均有明显优势。其不可充电性,只是相对而言。更换新的铝材对铝空电池来说,就是某种程度的充电。 


由于具备高能量密度,铝电池可以做的很小。国外的实践显示,目前支持续航1600公里的铝空气电池,重量只需100KG。对比当前品质比较优秀的锂电池车,续航400KG,电池500KG左右的重量,铝空气电池的优势十分明显。 


然而遗憾的是,如此优秀的未来电池路线,颜值却被“水氢发动机”拉低到了一个极其堪忧的地位。因为铝空电池反映原理虽然与铝制氢气显著不同,但外界来看,二者却极为相似。从输入材料来看,二者都需要铝、水和空气;从输出材料来看,铝空电池除了发电,还会放出氢气,也跟水氢电池别无二致。所以,当水氢发动机的骗局横行多时,当大佬以水制氢就是傻子的论断广为接受。为远在10年之后的先进电池做准备的人们,无疑会遭受不小的挫折。


劣币驱逐良币,在科技发展的历史上,时刻都在发生,古今中外,概莫能外。


三、铝空电池怎么用——增程式了解一下


那么,我们怎么拯救铝空气电池呢?唯一的方法,就是去使用他。实践是检验真理的唯一标准;市场是检验技术的关键考量。对于所有的原发型创新来说,由于没有先例可循,将实验室的东西搬出去量产化,去投资,去试错,是检验创新与技术的唯一办法。有可能某项技术会取得巨大的成功,那我们就利用他;也有可能这项技术压根就做不成功,那我们就放弃他。成功与失败并存,前进必须付出试错的成本。这是当前由模仿创新时代进入原发创新时代的中国必须学会的第一课。从这个角度来说,我们显然应该对把实验室里用的东西搬出来量产的人,持有更加宽容的态度。


如果他是骗子,我们当然要狠狠的打击;但如果只是傻子,我们反而应该对其一腔孤勇,赞一声勇气可嘉。


话说回来铝空电池的发展,正是秉承着要想发展,必先使用的思路。虽然铝空气电池是十年后的技术,当前力争发挥其优势,规避其劣势,将其投入使用的公司仍然不在少数。例如2014年美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy合作,开发出了100公斤铝,续航3000公里的铝空电池车。2018年现代汽车新能源汽车研发基地所在地韩国蔚山,推出了能量密度高达2,500Wh/kg的铝空气电池车,一公斤铝所实现的续航里程高达700KM。


新的进展在不断出现。推广铝空气电池的主要车用路线,用的其实是增程式的思路。对比铝空与锂离子电池的优缺点后我们可以发现,铝空能量密度高,重新充电方式为更换铝板,速度也较快,储存几辈于锂离子电池的能量,所需要的电池自重,也被锂离子电池小好几倍。而锂离子电池虽然输出功率高,但能量密度低,可以很好的支撑汽车运转却缺乏长续航里程。如果将这两者放在一起,用铝空气电池给当前锂离子电池配一个“充电宝”,无疑既可以保证车辆运行,又可以增加续航里程。 


前面提到的加拿大与以色列公司的产品,就是这个思路。当然增程式还有其他的路线,比如日本在搞燃油-锂电增程式。日产Note增程式的油耗大约只有百公里2-3L,日产表示油耗还能再降。而在国内,2019车展闪亮登场的理想ONE增程式,百公里油耗8-9L,这和普通燃油车差别并不大。


除了技术以外,燃油对我们来说还有另外的问题。前几日中石化的付成玉董事长指出,在当前国际形势下,我们必须做好原油断供的准备。替代燃油的能源结果我们不得不加快考虑。爱驰的甲醇在线制氢+锂电增程式是一种方式,铝空+锂电增程式显然是可以考虑的另一种方式。而增程式电动车的设计还有优良的路径可替代性。 


因为即使有一天氢燃料电池技术发展成熟,氢燃料电池本身的特征也不适合作为直接驱动使用,还需要与锂离子电池结合。换句话说,氢燃料电池车本身就是氢燃料电池串联锂离子电池的增程式结构。当氢燃料技术发展逐步成熟,汽车将铝电池换下来,装上氢燃料电池即可,几乎可以无缝衔接。


当然这只是一条理论上可行的路线。真正实现铝空气电池的增程式汽车,还需要克服很多困难。也很可能铝空气电池的路径在不断的尝试中直接被证伪,这条路在实践上就是走不通。但这并不意味着他一无是处,应该一棒子打死。因为科学本来就是一场冒险的探索,创业本身就要跨越死亡之海。不试错无以出真知,不量产使用无以迭代出产品。好比一直趴在试验室的中国芯片,如果没有量产试错不断改进的过程,就永远没有进步并与国外产品一较高下的空间。 


过去四十年的发展,我们习惯了对已知事物高确定性的模仿;未来“中等收入陷阱“的跨越,还需要我们熟悉对未知事物的探索与试错。这是一个更加艰苦,风险也更高的方向。却值得新生代与老一代企业家一起掌舵,共同开拓的创新型的未来。


稿件来源: 第一电动网
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