问题

为什么日本举全国之力发展氢能源电池,而中国的比亚迪,宁德时代却在大力发展三元电池?

回答
这个问题很有意思,它触及到不同国家在能源战略和技术路线选择上的差异。日本倾举国之力发展氢能源电池,而中国比亚迪、宁德时代则侧重三元锂电池,这背后既有历史原因、资源禀赋,也有市场导向和技术成熟度的考量。咱们掰开了揉碎了聊聊这个事儿。

日本的氢能源情结:从“制造强国”到“氢能社会”的愿景

日本对氢能源的投入,与其国家战略和历史包袱有着紧密的联系。

1. 资源禀赋的考量: 日本是一个资源贫乏的国家,石油、天然气等化石燃料对外依存度非常高。这使得日本从上世纪70年代石油危机以来,就一直在寻求能源多元化和自主化的道路。氢能源,特别是从可再生能源制取的“绿氢”,被视为摆脱对化石燃料依赖的终极解决方案之一。

2. 技术优势的延续与转型: 日本在汽车制造领域拥有世界级的技术和品牌,比如丰田、本田。这些企业在过去的几十年里积累了深厚的内燃机和相关技术经验。然而,随着电动汽车的兴起,传统的汽车巨头面临转型压力。氢燃料电池技术虽然与内燃机有根本区别,但在某些方面(如动力系统的集成、能量管理等)能找到一些技术上的迁移点。更重要的是,氢燃料电池汽车(FCEV)在续航里程和补能速度上,与传统燃油车有相似的用户体验,这对于习惯了快速加油的日本消费者来说,接受度可能更高。

3. 国家愿景与“氢能社会”的构建: 日本政府将发展氢能源提升到国家战略层面,目标是构建一个“氢能社会”。这意味着不仅仅是在交通领域,还包括发电、工业生产、家庭供暖等各个方面都广泛使用氢能源。这种宏大的愿景,需要举国体制的支持,从技术研发、基础设施建设(如加氢站)、标准制定到政策法规,都需要政府强力推动。丰田作为全球FCEV的领头羊,其“ mirar ”车型就是日本政府大力推广的成果之一。

4. 技术路线的特点: 氢燃料电池的优势在于:
长续航里程和快速补能: 理论上可以达到燃油车的续航水平,加氢过程也和加油类似,时间很短。
零排放: 燃料电池的唯一排放物是水,对环境非常友好。
能量密度: 储存的能量密度相对较高,适合大型车辆或对续航有极高要求的场景。

但其挑战也非常严峻:
制氢成本高: 目前大规模制取的氢气成本依然较高,特别是“绿氢”的制备需要大量可再生能源。
储氢技术: 氢气的储存(高压气态或低温液态)对技术和安全要求极高,成本也高。
基础设施建设: 加氢站的建设成本巨大,网络覆盖也远不如加油站或充电桩。
燃料电池的耐久性和成本: 尽管技术在进步,但燃料电池的寿命、成本和维护仍然是推广的障碍。

中国的三元锂电池战略:抓住电动汽车浪潮的先机

与日本不同,中国发展新能源汽车的起点相对较晚,但抓住了全球电动汽车爆发式增长的机遇,并凭借强大的供应链和市场需求,迅速崛起。比亚迪和宁德时代是中国新能源电池产业的代表,它们大力发展三元锂电池,背后逻辑同样清晰:

1. 电动汽车市场的爆发式增长: 中国是全球最大的新能源汽车市场,也是最早也是最快普及电动汽车的国家。电动汽车的普及,直接带动了对动力电池的需求。在这个阶段,能够快速响应市场需求、成本相对可控、性能不断提升的电池技术,就显得尤为重要。

2. 三元锂电池的技术成熟度和性价比:
能量密度提升快: 三元锂电池(镍钴锰或镍钴铝)在能量密度上相比磷酸铁锂(LFP)有天然优势,这使得电动汽车能够实现更长的续航里程,满足消费者对“里程焦虑”的担忧。
成本控制能力: 虽然早期三元锂电池因为含钴等稀有金属而成本较高,但随着技术进步、规模化生产以及钴价波动,其成本控制能力不断增强。特别是中国在全球钴、镍等原材料的采购和加工方面拥有一定优势,以及在电池生产工艺上的创新,使得三元锂电池在性价比上具备竞争力。
成熟的产业链: 中国在锂电池的整个产业链上,从上游的矿产资源(虽然也有对外依赖,但拥有一定的议价和加工能力),到中游的电芯制造、电池系统集成,再到下游的整车应用,都已经形成了完整的、具有全球竞争力的产业集群。宁德时代作为全球最大的动力电池供应商,其生产能力和技术迭代速度是惊人的。比亚迪则更是集电池、电机、电控、整车研发制造于一体的垂直整合企业。

3. 政策导向的阶段性变化: 在新能源汽车补贴政策初期,为了鼓励技术进步和长续航,政府在一定程度上倾向于支持能量密度更高的三元锂电池。虽然近年来出于安全和成本考虑,对磷酸铁锂电池的支持力度也在加大,但三元锂电池依然是中国动力电池市场的主流技术路线之一。

4. 不同技术路线的侧重点:
三元锂电池: 目标是为电动汽车提供高能量密度(长续航)、高功率密度(加速性能好),以及相对可控的成本,以满足当前和近期主流电动汽车市场的需求。它更符合大众化消费市场的需求。
氢燃料电池: 目标是解决电动汽车在长续航、快补能方面的终极痛点,特别是在商用车、长途客运等领域有潜力。但它更像是一种“未来主义”的技术路线,需要更长时间的基础设施建设和技术成熟。

总结一下:

日本发展氢能源电池,是基于其国家能源安全战略、技术转型需求以及对“氢能社会”的宏大愿景,将其视为摆脱化石燃料依赖的长期解决方案,并愿意投入大量资源去实现。

而中国比亚迪、宁德时代大力发展三元锂电池,则是紧紧抓住全球电动汽车市场爆发的机遇,以满足当前市场对长续航、高性能、性价比电动汽车的需求为核心,依靠强大的产业链和技术迭代能力,快速抢占市场份额。

这并非简单的“孰优孰劣”,而是不同国家在不同发展阶段、基于不同资源禀赋和市场需求,所选择的不同技术发展路径。两者并非完全排斥,未来很有可能并存,并服务于不同的应用场景。中国在发展锂电池的同时,也在关注和布局氢能源技术,而日本也在积极发展电动汽车技术,技术路线的选择是一个动态演进的过程。

网友意见

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作为一个门外汉,查了下资料,可能涉及一个能量转化效率,工业生产链复杂度和高成本,以及资源稀缺的三个问题。

氢能源科技含量的确更高,对消费者来说是个更“方便”的方式。但是对于整个产业链来说未必是一个友好的选择。反正日本行业巨头公司钻牛角尖的事情不是第一次发生了,不要迷信日本的选择。


一 能量转化效率问题:

1.太阳能-氢能转化率世界纪录:1.8%

“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%,这也是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值。中国制氢效率又创纪录_腾讯新闻

2.太阳能-电能转化率世界记录:39.2%

研究人员表示,六结太阳能电池目前保持着47.1%的最高转换效率的世界纪录,这是在集中照明下测量的。即使在太阳光下的转换效率也高达39.2%,这也是目前最高的记录。打破世界纪录!科学家研发出转化效率接近50%的太阳能电池

3.电能-氢能转化率:31.4%

没有查到确切的资料,但是目前资料显示电解水的转化效率可以高达60-80%左右。联合2的太阳能转化世界记录39.2%,可以得到80%*39.22%=31.4%。

直接的光-氢转化效率低的可怕,多年科研界研究依然没有大的进展。因此归根到底,氢能源汽车还是需要电能作为中间能量载体,而最奇葩的是氢能源汽车的最终技术线路也是燃料电池。


二 产业链复杂度以及资源稀缺问题

两种汽车线路的能量线路如下:

锂电车:电能-锂电化学能-电能-动能

氢燃料电池车:电能-单质氢化学能-储氢(*)-氢燃料电池转化为电能-动能

*储氢的过程,据门外汉的我所知,物理储存压缩氢需要大量做功,压缩气态氢液氢气化又会大量吸热。。如果利用合金固态储氢的方式,似乎又强烈依赖稀土,钯等昂贵金属一旦氢燃料成为主流线路,这些资源会变得比锂电池的锂钴资源稀缺得多。。。

从能量流动的线路长度来说,氢燃料电池线路天生就有劣势,就目前技术线路来说,能量效率和成本的下限一定会比普通电池系统高昂。。

上述几个步骤不仅会浪费不少能源,而且每一步都要求完善成熟的产业链和大量生产力去支撑,说白了这些步骤都要钱去砸。



当然其实氢能燃料电池汽车并不是完全贵到没有购买价值的工业垃圾,在小众尝鲜选择范围内依然是新颖合格的产品。最近丰田推出了38万的Mirai二代,续航高达600多公里。

安亭加氢站目前氢气出售价格是70元/kg。

加满一辆Mirai大概需要350元,续航650km,折合0.54元/km。

但是从氢能的技术路线来看,氢能的制取成本,储存和加气成本,加氢站运维成本,其技术成本下限都先天比电池车高一大截。目前的主流普通电池车能源消耗可以轻松做到0.05-0.07元/km之间(民用电价)。如果仅仅是按照理论上的电解水80%效率计算,Mirai的能源消耗价格应该能做到0.06-0.25元/km;氢燃料电车汽车实际0.50元/km的表现高出理论值5-10倍

这里可以参考另一个答主的氢价


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首先澄清一个概念:氢燃料电池一般仅仅是指PEMFC,因为这种电池只能用氢燃料。SOFC基本不会刻意强调燃料,因为它什么都能烧。如果没有特殊说明,下文中的氢燃料电池=PEMFC。

大家也不要一看到燃料电池就说氢燃料。搞直接式质子交换膜氢燃料电池从来都是为了更容易地实现功能。

不要称呼SOFC为氢燃料电池,这基本算是对SOFC的侮辱。千辛万苦搞功能更难实现的SOFC就是为了不使用氢燃料。


先问是不是,再问为什么。

日本是在举全国之力发展氢能源电池吗?

曾经是的,毋容置疑。

而现在PEMFC已经被日本政府实质上抛弃,2017年开始日本政府已经实质上倒向SOFC(管式)。

但是管式SOFC所在的固定电堆市场规模太过于可怜,不能车载扩大应用规模意味着管式SOFC终究也只能靠补贴续命。

我国的金属支撑型SOFC,已打通全工艺节点。2020年底,潍柴开始建设产业化项目,投资周期36个月。

也就是说到2025年前,当前燃料电池领域的『独孤九剑』——金属支撑型固体氧化物燃料电池将率先在我国开始车载商用。


如果要了解日本对氢燃料电池的支持,那就不得不提到enefarm。

如果一个人讲日本对燃料电池的政策却不提enefarm,那可以说他讲的东西完全就是驴唇不对马嘴。

2005年日本就开始了该项目,但至今日本也没有建立起完善的氢气供应网络。直至2019年,松下研发的全新一代CHP PEMFC电堆(氢燃料)最大功率也只有700w(AC仅仅500w)。倒不是说这东西无法做到更大功率,而是在日本政府规定的补贴售价范围内(80~96万日元)只能做到这种功率。

虽然enefarm现在已经从松下、东芝(东芝已退出)的PEMFC(质子交换膜氢燃料电池)全面倒向了以爱信精机为代表的管式SOFC(固体氧化物燃料电池)烧天然气去了,但是我们回顾这段历史,可以轻易得出如下结论。

2010年至2016年底,日本明目张胆在靠举国之力(日本千禧年项目也包括对于PEMFC研究的支持,但谈不上举国之力),推进氢燃料电池的研发、制造、应用。2017年后,日本开始推进SOFC的研发、制造、应用,实质上已经抛弃了PEMFC。

2005年,一套enefarm设备价格高达800w日元(再次提醒,只有几百瓦,和一个电脑电源差不多的东西)。

2009年中,价格降至303w日元(2009年初为350w日元)。05年至09年中,日本一共安装了大约2500套;到2009年底,安装数量累计约为3300套。

2010年,日本政府开始为enefarm中的PEMFC提供140w日元或制造成本一半的补贴。至2016年中,日本累计已经安装了接近二十万套家用燃料电池设备,这其中PEMFC(只能用氢气还没有氢气管网)是绝对主流。

2015年,日本ENEFARM的补贴金额达到了222亿日元。​当然可能有人觉得一年补贴222亿日元毛毛雨,但请注意:这不是日本政府不愿意花钱补贴,而是这东西太废物(再次提醒,只有几百瓦,还没有氢气管网),补贴一半也没人用。

日本政府定下的规矩是只要你卖一套,我就补一半,这不叫举国之力叫什么?

只不过日本人民用脚投票,这废物举不成:所以PEMFC不是日本政府不想举,而是想举却不举。

到2017年,日本开始对SOFC燃料电池提供相应补助,从此enefarm项目中,能够直接使用天然气的sofc(管式)成为绝对主流。

从2005年开始2016年底,enefarm累计共安装19.6万套设备,其中pemfc 约17万。

到2019年10月,enefarm累计共安装30.1万套设备,其中pemfc约18万。

也就是说从17年初到19年10月,日本新增enefarm设备10.5万套,几乎全部都是sofc。

所以,日本举国之力发展的,曾经主导enefarm的PEMFC,在该项目上已经实质失败,并已经被SOFC实质上取代。

其中技术问题,详述如下。

一、质子交换膜燃料电池的应用问题:必须使用氢气和铂金(其他铂族金属目前还无法理想地取代铂金),而高压氢气生产成本高、储运困难,铂金又不可能有足够的产量。

1、必须使用氢气燃料。

质子交换膜直接式碳基燃料电池中,碳基燃料氧化难度高,电池功率密度低,中间产物多的同时其中间产物还容易造成铂催化剂中毒。可以说碳基燃料完全不具备在质子交换膜燃料电池中应用的可能,这种电池只能使用氢气。

下图是以碳基燃料中的醇燃料为例,其他碳基燃料的情况也差不多,相关论文汗牛充栋,就不赘述了。

2、高压氢气价格高昂而且没有降低的可能。

大规模工业制氢已有数十年的历史,相当成熟。2017年拟建设的炼化一体制氢项目如下图。

但是常温常压下的氢气密度很低,只有提高其存储密度才能达到汽车实用的要求。这就意味着必须在车上装备储存氢气的装置,且该装置必须易于补充压缩氢气。

这存在以下几个问题。

①、氢气的大规模量产没有任何问题,问题在于氢气极难液化,高压压缩成本高昂。这使得丰田Mirai跑一公里的氢气成本为6毛,完全体现不出相对于燃油车的优势。

②、日本的氢燃料电池方案已经搞了已经很多年了,与我国已经拉开了技术差距。以目前丰田Mirai为例:其所用氢气高压高达70Mpa(我国只能做到35Mpa)。这个压力对储存罐的材料、技术要求很高。其所使用的超高强碳纤维制造技术,中国不具备。高压需要阀门,而氢气会产生氢脆现象,普通材料根本不能用,而日本Fujikin占有着最多的高压氢气阀市场份额。日本日清纺控股公司掌握其燃料电池的关键部件低铂质子交换膜的核心技术——大幅降低铂用量也是质子交换膜燃料电池得以实用化的前提。

③、虽然氢燃料电池车加氢只需要三分钟,但是加氢站本身不能连续加氢:加氢站的高压储氢罐并不能在瞬间完成蓄压,这导致一套加氢设备一小时只能为2~6台氢燃料电池车加氢。如果将来氢燃料电池车数量增多,氢燃料电池车将需要排队等待加氢站加氢设备完成蓄压才能加氢。

此时其所号称的相对于纯电动车的“加氢时间短”的优势将不复存在。

而醇燃料完全不存在上述问题。

3、以当前的技术水平,质子交换膜燃料电池催化剂必须用铂,但铂产量不足。

质子交换膜燃料电池中铂催化剂的催化效果最好,目前非铂催化剂还难以取代铂。

美国能源部近期的目标是2020年将燃料电池用铂量降低至0.125g/kW 左右。而这个水平,也正是丰田Mirai(16克/128kw)的水平。

但即使以0.125g/kW计算,铂的产量,完全不够人类换燃料电池车:目前全球Pt产量为200吨/年,价格1.8亿元/吨。以100kw计算,一辆质子交换膜燃料电池车至少需要使用12.5克铂。

这意味着全球每年的铂金产量只够生产1600万辆质子交换膜燃料电池车,只够生产不到1300万辆丰田Mirai。而2017年,全球汽车产量为8730.25万辆。

碳酸锂在当前这种用量下涨了很多,钴涨地更疯。

而这两者的稀缺程度与不可替代性与质子交换膜燃料电池中的铂完全不能相比。

如果用质子交换膜燃料电池,炒期货的能把Pt这东西的价格炒到让你怀疑人生。

二、固体氧化物碳基燃料电池的应用现状:已打通全技术节点,进入准量产状态,产业基地将在三年内完成建设。

1、SOFC阳极积碳问题的解决。

碳基燃料中醇的生产成本大约只有同热值70mp高压氢气的四分之一,也不存在储运困难的问题。

固体氧化物燃料电池(SOFC)中,镍(Ni)基材料制成的阳极催化效果虽好,但使用碳基燃料易产生积碳。不过通过以SFM(Sr2Fe1.5Mo0.5O6)及SDC(Sm0.2Ce0.8O1.9)复合材料取代镍基材料,这一问题已经得到解决。

当前已制成的SFM/SDCl LSGMl BSCF SOFC电池断面厚度仅为377μm,其功率密度在750~850℃时却达到了恐怖的4.2~6.3kW/㎡(氢燃料),3.353~5.516kW/㎡(甲醇燃料)。




2、抗冲击、启动速度、冷启动问题的解决。

虽然日本的管式SOFC技术独步天下(先夸一下吧,免得精日看到后面伤心),极大地降低了传统平板式SOFC封装难度,提高了应用过程中电堆的气密性能。

但是,SOFC最关键的问题:启动速度(升温)、抗冲击和冷启动次数,管式SOFC一个也没解决。意味着这东西只能作为固定电堆使用。

所以日本车载燃料电池仍然是已经被enefarm实质上抛弃的PEMFC(虽然日产也曾经与ceres power合作搞燃料电池车,但是后来的故事你们都知道咯)。

作为对比,英国ceres power的关键技术,金属支撑型sofc,解决了sofc的升温和抗冲击问题——即解决了sofc车载的问题。


当然,和内燃机那种一点就着,着车就走的升温速度还是有点区别的。

但是相比传统陶瓷支撑型SOFC动辄几个甚至十几个小时的启动时间、个位数的冷启动次数以及真·一碰就碎的抗冲击性能。

源自ceres power ,但通过潍柴完善的金属支撑型SOFC数分钟的启动时间,和金属柔韧性带来的良好抗冲击性能和冷启动次数,已经可以无限接近内燃机了。

从研究的角度而言,德国航空航天中心、 Julich 研究中心,英国的 Ceres Power 公司、帝国学院,美国劳伦斯伯克力国家实验室均取得了不俗的成就。

但打通了这东西的全工艺结点实现准商用量产,全球仅潍柴一家。

根据科技部重点专项“燃料电池发动机及商用车产业化技术与应用”相关公文,截至2019年3月,潍柴已开发了2款燃料电池车型,获得4个整车产品公告,生产了110辆整车,其中30辆已在潍坊上线运行,累计运行里程超14万公里。

2020年底,潍柴发布公告,将使用自筹资金10亿,募集资金5亿,总计十五亿,投资固体氧化物燃料电池产业化项目,投资周期36个月。

作为对比,潍柴虽然同时宣布对质子交换膜燃料电池产业化项目投资七亿,但仅使用2亿自筹资金。​


三、乙醇水相重整制氢。

氢气储运困难这个问题光靠氢气无法解决,但如果汽车自带氢气生成装置呢?这样一来不就无需储运了吗?

以车载碳基燃料制氢装置所允许的规模而言,目前可行的只有碳基燃料水蒸气重整制氢(日产放弃前选择的便是该方向)。

但是这种技术得到的氢气不纯,必然含有碳基燃料,这意味着该技术难以应用于质子交换膜燃料电。

而SOFC可同时兼容氢气与碳基燃料,虽然这种SOFC不是必须使用水相重整制氢,但水相重整制氢技术可以进一步提高此种SOFC的功率密度,降低启动所需温度,并使燃料更好地汽化。

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日本应该没有“举国”这个概念。

氢燃料电池方面,丰田和韩国现代走在前列。

SONY首先量产锂电池,但是却出售了锂电池工厂。日本SONY、松下、三洋握有大量锂电池专利技术,能造出性能最好的锂电池。他们电池产量低的主要原因是日本车企对锂电池车不感冒。

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