燃料电池、固态电池、氢能源…这场能源大战究竟要怎么打？

如今随着电动车的飞速发展，电池能源的话题被推到了风口浪尖，各种关于新电池技术的新闻不断被报道出来，看得我们眼花缭乱。可实际上真正能应用在工业生产当中的却又是寥寥无几。电池能源方面的发展究竟是什么样的？未来的能源技术究竟又会走向何方？今天，我们就一起来盘点一下各种电池技术的发展现状：

1、锂电池

目前为止，锂电池仍然是电池能源当中应用最为普遍的，无论是手机、电脑还是电动汽车，几乎锂电池已经成为了不可缺少的重要组成部分。早期的锂电池一般是使用二氧化锰为正极材料，金属锂或其合金金属为负极材料，使用非水电解质溶液作为传导物质，通过锂离子和二氧化锰的氧化还原反应完成放电的过程。锂电池最早期是应用在心脏起搏器当中，由于锂电池的自放电率极低、放电电压平缓等优点，使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电，而被应用在医学领域。又因为锂电池一般有高于3.0V的标称电压，更适合作集成电路电源，又被用于计算器，数码相机、手表中。但这种锂电池由于循环性能不好，在充放电循环过程中容易形成锂结晶，造成电池内部短路，危险性较大，所以一般情况下这种电池是禁止充电的，难以被广泛推广应用。

直到1992年，日本的索尼公司成功研发出了以炭材料为负极、以含锂的化合物作正极的锂电池。由于这种锂电池在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，而被称为锂离子电池。锂离子电池真正革新了消费电子产品的面貌：由于石油焦炭和石墨作负极材料无毒且资源充足，锂离子嵌入碳中又克服了锂的高活性，解决了传统锂电池存在的安全性问题；其正极的LixCoO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平，使得其使成本又大大降低。这使得人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小，安全性也显著增加，开始被更广泛的应用。时至今日，锂离子电池仍然便携电子器件的主要供电能源。

2、固态电池

固态电池本质上仍然是锂电池的一种，与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同的是，固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。由于如今的科学界普遍认为锂离子电池的发展已经到达了极限，所以固态电池于近年被视为可以继承锂离子电池地位的新型电池。

常用的固态锂电池是采用锂、钠等制成的玻璃化合物作为传导物质，取代了以往锂离子电池的电解液，大大提升锂电池的能量密度。由于固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池，它的功率密度一般较低，而能量密度较高，所以它很可能是未来电动汽车的理想能源之一。

目前固态电池的发展多样，且有很多的不确定性。不同的公司都在发展着不同材料的固态电池，如日本的日立造船公司，在第十届国际二次电池展上就展示了硫化物系材料作为电解质的全固态锂电池“AS-LiB”。目前上述产品已经提供样品，计划在2019财年开始批量生产并用于航天领域，2025年后投入车用市场；而同样在此次展览上，日本德尔公司同样展示了正在开发中的全固态电池参考样品，他们的的全固态电池采用了氧化物电解质；还有日本初创公司NGKSparkPlug，计划将采用陶瓷电解质的固态电池送上月球，以便为后续的其他探月行动提供更好的后备能源方案。除此之外还有台湾的辉能科技、美国的24M公司等，包括国内的很多电池能源公司也在积极的跟进固态电池的发展，甚至有些已经在尝试着量产工作。

虽然固态电池的发展已经被很多能源专家看好，但距离真正普遍性的应用它还面临着重重的困难。首当其冲的就是成本问题：液态锂电池的成本大约在200~300美元/千瓦时，而如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池，其成本会达到1.5万美元/千瓦时，制造足以为汽车供电的固态电池成本更是达到令人瞠舌的9000万美元！固态电池成本的居高不下为它在未来的广泛应用埋下了重重的阴影。除此之外，一项新技术的发明，到它实际的量产应用也需要不短的时间。正如液态锂电池，在上世纪70年代，相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进，但真正大规模的使用，已经是20世纪末了。

3、超级电容器

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力及原子间力的作用，使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板，电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同，可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。

与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点主要体现在：

（1）功率密度高。可达102～104W/kg，远高于蓄电池的功率密度水平。

（2）循环寿命长。在几秒钟的高速深度充放电循环50万次至100万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低10%～20%。

（3）工作温限宽。由于在低温状态下超级电容器中离子的吸附和脱附速度变化不大，因此其容量变化远小于蓄电池。商业化超级电容器的工作温度范围可达-40℃～+80℃。

（4）免维护。超级电容器充放电效率高，对过充电和过放电有一定的承受能力，可稳定地反复充放电，在理论上是不需要进行维护的。

（5）绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害的化学物质，且自身寿命较长，因而是一种新型的绿色环保电源。

虽然超级电容器拥有着如此多的优点，但它也有致命缺点，也正是因为这些缺点，使得它现在还无法取代锂离子电池的存在。超级电容器充放电时间快，但是储电量较少；锂离子电池充放电时间虽然比较长，但储电量相对于超级电容器要多很多。因此，超级电容器目前只是广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在交通运输、工业控制、风光发电、智能三表、电动工具、特种等领域具有非常广阔的发展前景。

4、氢能源

氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划。氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油、天然气可以直接开采。现在的氢几乎完全依靠化石燃料制取得到，如果能回收利用工程废氢，每年大约可以回收到大约1亿立方米，这个数字相当可观。

氢燃料电池是使用氢制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。与锂电池相比，氢燃料电池具有无污染、无噪音、高效率等优点，同时它的“储能量”比锂电池更强：锂电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。

但目前由于氢燃料电池的制造成本较高、氢原料储存困难、安全性较差等问题，它的应用范围还仅限制在航天、飞行及少部分的汽车领域。目前氢燃料电池的成本相当于是普通汽油发动机的100倍，这个价格是市场所难以承受的。

科技始终在不停的进步，相信在不久的未来，电池领域也将给我们带来更多的惊喜。只要我们不停止探索的脚步，认清现实并努力超越现实，光明就一定在不远处等着我们。