推動鋁電池產業化的公司真的都是傻子嗎?
發布時間:2019-06-10 11:03:07
關鍵詞:動力電池 鋰電池

推動鋁電池產業化的公司真的都是傻子嗎?


近日,青年汽車在南陽市搞“Very good”的水氫發動機,讓高中化學徹底火了一把。之后,某大佬公開吐槽龐青年式鋁粉+水制氫產業化,是只有傻子才干的事,又讓鋁制氫及相關的電池成了騙子和傻子的代名詞。


在普通大眾看來,鋁水反應在汽車上應用已經無形中被判了死刑。然而這一切,都為鋁這一重要儲能金屬帶來了巨大的誤解。


一、氫能源、制氫以及鋁制氫


氫氣作為人類夢寐以求的理想能源,儲量豐富,絕對環保,且可再生,一直以來都在新能源之路上給我們無限美好的誘惑。 


尤其在汽車領域,氫燃料電池加氫快,能量密度完爆鋰電池。當前鋰電池的能量密度水平在300KWH/kg上下,上限水平最多再翻一番,而且還要面臨巨大的安全風險。與之對應,汽油的能量密度約為1700KWH/kg,而氫燃料的能量密度比起汽油還要以幾倍計量。


正是因為氫氣擁有在能量密度、充電速度等方面的優勢,在當前鋰離子電池已經走到能量密度瓶頸的階段,氫燃料電池無疑給了人們無限希望。也正是如此,今年一季度以來,在二級市場上,氫燃料電池概念股全線飆漲;在一級市場上,各類氫燃料電池相關公司聞風而動,并催化出了南陽水氫發動機這樣的鬧劇。 


但不可否認的是,氫燃料電池雖然優點眾多,但氫能源卻是一種二次能源,自然界中的氫絕少以氫分子的形式單獨存在。所以,要想使用氫,我們必須得制氫。


目前制氫一共四大主流方法:化石原料制氫、化工原料制氫、工業尾氣制氫和電解水制氫。此外還有一些非主流的另類制氫方法,被歸到其他制氫方法里。金屬制氫就是其中一種,而鋁制氫,屬于金屬制氫的一種。四大主流制氫方法和其他制氫方法如下表所示:


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(主要制氫方法,來源:華創證券)


各類制氫方法各有千秋,但用在新能源汽車這個領域,我們主要考慮兩個指標。


一是成本。新能源汽車畢竟要走進千家萬戶,由終端消費者來使用,是否具有成本競爭力,是消費者選擇一款產品的重要考量因素,天價的產品,必然不是民間的選擇。


二是清潔,畢竟用氫燃料取代傳統化石燃料的原因,就是因為清潔,如果氫的來源就是傳統化石燃料,那么為什么不干脆燒傳統燃料呢?還避免了轉換過程的能量損失。


我們先來看成本。


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(主要制氫方法成本,來源:氫云鏈)


傳統制氫方法中,煤制氫成本最低,一公斤11.2元,其次是天然氣制氫,然后是氯堿副產品,最后是甲醇裂解制氫。電解水最貴,一公斤氫氣制出來,需要37塊錢。


而用鋁制氫就比較厲害了。根據鋁粉17.6元/kg的價格,九公斤鋁產生一公斤氫氣的比重,生產一公斤氫氣的價格大概是158.4元。鋁制造氫氣的同時,每公斤鋁會產生2.89公斤的氫氧化鋁,把這些氫氧化鋁賣破爛,大概2.3元一公斤,九公斤鋁產生的氫氧化鋁大概能賣60塊錢。綜合起來,鋁制氫一公斤氫氣的成本大約98.4元。


至少以目前的價格來看,鋁制氫氣要比主流方法里最貴的電解水還要貴上將近兩倍。


成本上首先不劃算。


其次我們來看環保效益。


主流方法中,天然氣和煤就不用說了,本身就是不可再生的稀缺資源,用來制氫,不符合可再生的要求。甲醇制氫,有二氧化碳排放,但好歹不是有毒物質,同時由于甲醇的可再生性,這個方法作為一個折中方法,勉強可以接受。今年上海車展,愛馳汽車展出用來一輛氫燃料增程式電動車,用的就是在線甲醇制氫,給氫燃料電池供氫氣,氫燃料電池再給鋰電池供電,帶動汽車運轉的模式。


氯堿制氫,是當前制作氫氣的最主流方法之一。但他是燒堿工業的副產品,受主產品產量的影響。氫氣用量少的時候可以,氫氣用量多的時候,不能老用其他產業的副產品,根本不夠用。而與此同時,氯堿工業的制氫方法,其實就是電解氯化鈉水溶液。將氫氣變成主產品,不要制造出燒堿和氯氣,那就直接電解水。 


這就是最貴的電解水方法。 


電解水與其他所有制氫方法不同,其他方法制氫的主要成本是原料成本。電解水的主要成本在于用電,大概占總成本的77%。


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(電解水制氫方法成本結構,來源:華創證券)


而從發電的角度看,如果電力主要來源還是火電,那么最終污染仍然不可避免,氫燃料終極清潔能源的稱號就名不副實。


正因如此,近年來從降低成本,保持清潔的角度考慮,沿著電解水制氫的路線衍生出另外一條思路——那就是,使用光伏、風力發電的清潔能源進行電解水制氫,為氫燃料電池提供原料。由于光伏發電和風力發電所產生的電量不穩定,長期以來無法并網;而富光、富風的區域本地無法消納大量光伏、風電發電的電力,多年以來我國都有所謂“棄光、棄風”現象。2017年主要清潔能源地區“棄光、棄風”比率仍然高達20%。如果將這些地區大量白白棄用的清潔能源電力,用于電解水生產氫氣,無疑既能解決清潔能源的問題,又能解決無污染制氫和氫氣成本高的問題。


同時在這個過程中,氫氣起到了儲能的作用。電能通過氫氣,可再生能源、儲能電池、車得到了很好的連接與使用,這也符合未來能源發展的長期需求。這就是為什么在很多人眼里看起來很傻的電解氫-再燒掉的技術路線,實質上反而是一種很好的發展路線的原因。據說當前日本本土電解水制氫的比率已經高達63%。


然后再來看鋁制氫技術。


在環保層面,鋁制氫技術的最大優點就在于,鋁從鋁粉變為氫氧化鋁,整個過程中鋁金屬沒有損失,通過回收,可以持續使用可再生。但缺點在于,鋁金屬的制備仍然是高耗能、高污染的行業,對于制造終極燃料——氫氣來說,在有可替代方案的前提下,優勢并不明顯。從這個角度而言,說進行鋁粉制氫量產化是傻子才做的事,其實并不為過。


然而鋁燃料的故事到此并未結束,在不同的場景,他將轉角遇到愛。 


二、鋁空氣電池——后鋰電時代的新星


近期SK在中國大興土木,到2025年,要擴產20倍的產能。有人以訛傳訛,傳出了SK要在2025年把鋰離子電池能量密度提升20倍的神話。只可惜不僅SK無此計劃,鋰離子電池本身也無法承擔此重任。由于理化特征限制,鋰離子電池在走到三元鎳鈷錳8:1:1的時代基本已經走到盡頭。盡管SK在努力向9:0.5:0.5進發,然而能量密度的極限最多也只能達到比目前水平翻倍,保持在500WH/KG的水平。對于翻20倍,達到5000WH/kg的能量密度,絕對是只能望洋興嘆。


這樣一個現實,對于鋰離子電池來說,是極其沮喪的。尤其在汽油1700WH/kg的高能量密度面前,更是不免喪氣。


然而5000WH/kg的能量密度的電池并非不可達到,只不過這樣的電池已經不再是鋰離子電池。在各國的后鋰電時代中,金屬-空氣電池這一話題不斷被提及,而鋁-空氣電池就是其中最重要的一支。下圖展示了日本NEDO的電池研發計劃,在右下角的紅色區域,革新電池那里,金屬-空氣電池赫然在目,鋁空電池排在最前面。日本給這一發展方向的規劃時期是2030年以后。雖然久遠,然而確確實實是未來發展的方向之一。


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對比當前的鋰離子電池來說,鋁空氣電池的最大優點在于能量密度高,理論能量密度高達8100WH/kg,與當前能量密度最高僅350WH/kg左右的鋰離子電池相比,天上地下,開著鋁空氣電池車幾乎可以環游世界。 


然而鋁空氣電池也有不足。他的最大弱點,在于功率密度低,只有50-200W/kg,而鋰離子電池基本在6000W/kg以上。這意味著鋁空電池放電速度特別慢,你開著鋁空電池的小車車,只能以蝸牛的速度在行駛。


當然這只是最大的優缺點對比。鋁空對鋰離子的其他優缺點對比如下表,


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(鋁空電池與鋰離子電池優劣勢比較,來源:OFWEEK)


由表可見,鋁空氣電池在毒性、可循環利用性、元素儲量等方面均有明顯優勢。其不可充電性,只是相對而言。更換新的鋁材對鋁空電池來說,就是某種程度的充電。 


由于具備高能量密度,鋁電池可以做的很小。國外的實踐顯示,目前支持續航1600公里的鋁空氣電池,重量只需100KG。對比當前品質比較優秀的鋰電池車,續航400KG,電池500KG左右的重量,鋁空氣電池的優勢十分明顯。 


然而遺憾的是,如此優秀的未來電池路線,顏值卻被“水氫發動機”拉低到了一個極其堪憂的地位。因為鋁空電池反映原理雖然與鋁制氫氣顯著不同,但外界來看,二者卻極為相似。從輸入材料來看,二者都需要鋁、水和空氣;從輸出材料來看,鋁空電池除了發電,還會放出氫氣,也跟水氫電池別無二致。所以,當水氫發動機的騙局橫行多時,當大佬以水制氫就是傻子的論斷廣為接受。為遠在10年之后的先進電池做準備的人們,無疑會遭受不小的挫折。


劣幣驅逐良幣,在科技發展的歷史上,時刻都在發生,古今中外,概莫能外。


三、鋁空電池怎么用——增程式了解一下


那么,我們怎么拯救鋁空氣電池呢?唯一的方法,就是去使用他。實踐是檢驗真理的唯一標準;市場是檢驗技術的關鍵考量。對于所有的原發型創新來說,由于沒有先例可循,將實驗室的東西搬出去量產化,去投資,去試錯,是檢驗創新與技術的唯一辦法。有可能某項技術會取得巨大的成功,那我們就利用他;也有可能這項技術壓根就做不成功,那我們就放棄他。成功與失敗并存,前進必須付出試錯的成本。這是當前由模仿創新時代進入原發創新時代的中國必須學會的第一課。從這個角度來說,我們顯然應該對把實驗室里用的東西搬出來量產的人,持有更加寬容的態度。


如果他是騙子,我們當然要狠狠的打擊;但如果只是傻子,我們反而應該對其一腔孤勇,贊一聲勇氣可嘉。


話說回來鋁空電池的發展,正是秉承著要想發展,必先使用的思路。雖然鋁空氣電池是十年后的技術,當前力爭發揮其優勢,規避其劣勢,將其投入使用的公司仍然不在少數。例如2014年美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy合作,開發出了100公斤鋁,續航3000公里的鋁空電池車。2018年現代汽車新能源汽車研發基地所在地韓國蔚山,推出了能量密度高達2,500Wh/kg的鋁空氣電池車,一公斤鋁所實現的續航里程高達700KM。


新的進展在不斷出現。推廣鋁空氣電池的主要車用路線,用的其實是增程式的思路。對比鋁空與鋰離子電池的優缺點后我們可以發現,鋁空能量密度高,重新充電方式為更換鋁板,速度也較快,儲存幾輩于鋰離子電池的能量,所需要的電池自重,也被鋰離子電池小好幾倍。而鋰離子電池雖然輸出功率高,但能量密度低,可以很好的支撐汽車運轉卻缺乏長續航里程。如果將這兩者放在一起,用鋁空氣電池給當前鋰離子電池配一個“充電寶”,無疑既可以保證車輛運行,又可以增加續航里程。 


前面提到的加拿大與以色列公司的產品,就是這個思路。當然增程式還有其他的路線,比如日本在搞燃油-鋰電增程式。日產Note增程式的油耗大約只有百公里2-3L,日產表示油耗還能再降。而在國內,2019車展閃亮登場的理想ONE增程式,百公里油耗8-9L,這和普通燃油車差別并不大。


除了技術以外,燃油對我們來說還有另外的問題。前幾日中石化的付成玉董事長指出,在當前國際形勢下,我們必須做好原油斷供的準備。替代燃油的能源結果我們不得不加快考慮。愛馳的甲醇在線制氫+鋰電增程式是一種方式,鋁空+鋰電增程式顯然是可以考慮的另一種方式。而增程式電動車的設計還有優良的路徑可替代性。 


因為即使有一天氫燃料電池技術發展成熟,氫燃料電池本身的特征也不適合作為直接驅動使用,還需要與鋰離子電池結合。換句話說,氫燃料電池車本身就是氫燃料電池串聯鋰離子電池的增程式結構。當氫燃料技術發展逐步成熟,汽車將鋁電池換下來,裝上氫燃料電池即可,幾乎可以無縫銜接。


當然這只是一條理論上可行的路線。真正實現鋁空氣電池的增程式汽車,還需要克服很多困難。也很可能鋁空氣電池的路徑在不斷的嘗試中直接被證偽,這條路在實踐上就是走不通。但這并不意味著他一無是處,應該一棒子打死。因為科學本來就是一場冒險的探索,創業本身就要跨越死亡之海。不試錯無以出真知,不量產使用無以迭代出產品。好比一直趴在試驗室的中國芯片,如果沒有量產試錯不斷改進的過程,就永遠沒有進步并與國外產品一較高下的空間。 


過去四十年的發展,我們習慣了對已知事物高確定性的模仿;未來“中等收入陷阱“的跨越,還需要我們熟悉對未知事物的探索與試錯。這是一個更加艱苦,風險也更高的方向。卻值得新生代與老一代企業家一起掌舵,共同開拓的創新型的未來。


稿件來源: 第一電動網
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