引言

尽管早在 19 世纪就已入世，但电动汽车的推广应用还只能追溯到近二十年间。全球电动汽车的销量由 2010 年不足万辆逐步抬升至 2016 年的 77.4 万辆，汽车的电动化目前被视作强力的去碳化路线，适用于几乎所有路基的运输与交通之中。不断恶化的城市空气质量也迫使许多国家倾向于禁售内燃机车（internal  combustion  engine  vehicles，以下简称 ICEVs），取而代之的将会是电动汽车。

从一个技术性的视角来看，电车的持续性成功源自电化学储能技术的进展。锂离子电池的质量能量密度从 90 年代的 90 Wh/kg一路爬升至现今的 250 Wh/kg，这一变化也使得它们有足够的能量驱动正常体型的整车，在保证足够的里程情况下驰骋路面。同时，锂离子电池包的成本也从超过 1000 $/kWh 降至 250 $/kWh，这一价位也足以让尝鲜者们跃跃欲试。

图1. 依照国际能源署“2 度以上”规划设计的电动汽车累计销量与市场份额的演化路线。插图为至 2016 年的电车累计销量，纯电动汽车、插电式混合电动汽车与氢燃料电池电动汽车的数据都被计算在内。

图1 所示为电动汽车的累计销售量与市场份额的演化路线，这个趋势是严格依照国际能源署的设计愿景（将全球温升控制在 1.75 ℃）而计算出来的。

按照这份蓝图，在相对遥远的 2060 年，电动汽车的累销量需要达到 18 亿辆且市场份额需要突破 86 %，然而这两个关键指标在 2016 年还分别只是 200 万辆与 0.2 %，这个数据也表明现在还是全球电车采购的石器时代，因此，后程的发力势在必行。而且，2016 年的这个战绩还是在高强度的政策性补贴（如财政激励、销售授权、免费充电等等）下取得的。尽管这些政策可能只是为了刺激更大的购买市场，但将它们升级到图1所述的市场份额也可能带来财政上的不可持续乃至负担。

更何况，考虑到锂离子电池在储能容量、安全以及成本方面的固有上限，其针对每一个可能的机动车市场的适用性并不明晰。因此，能够供给电车动力系统的备选技术就是一个研发重点。

本文中，我们将会评估二次电池与氢燃料电池改善电车性能以及降低电车成本的潜能。我们首先罗列了三种还未被锂电式电车过度渗透的机动车市场，然后论述了在这些领域内电车成功所需提升的能源特质。接着，我们比对评估了五种普遍被视作新型电车供能的候选电池类型的性能。最后，我们为包括氢燃料电池在内的每一类电池提供了简要的状况评估，并讨论了每种技术在达成新兴电车市场需求上的潜能。

新兴电动车市场中的储能壁垒

下面，我们列举了那些在长途运输交通、低成本运输交通以及高频用运输交通领域内未臻完美的储能技术的特点。

❖  远程运输&交通

行驶距离的不足，或者“里程焦虑”常被视作消费者购买电车意愿消极的一大重要技术屏障。在美国，人们对大里程数的求之若渴或许是因为相比其他发达地区他们偏好长途旅行却对公共运输口味冷淡。在一项 2016 年的调查研究中，有超过半数（54 %）的美国消费者将购买期望锁定在至少超过 282 km 的续航能力上，超过 1/4（29 %）的消费者则锁定在 604 km 的续航能力上。在电车可以达到降低 1/3 燃油花费的基础上，52 % 的消费者是无法接受高于燃油车 $5000 的价位，29 % 的消费者则无法接受高于燃油车 $1000 的价格。

图2 示出了美国市场上唾手可得的电动汽车的价格溢价（与同尺寸汽车的平均价格相比）vs 驾驶里程关系。值得注意的是，一台电动汽车要比同等尺寸其他汽车的均价贵上至少 $5000，这差价当然有制造产量与专用部件的因素，但是大部头还是要归因于电池的成本。

美国消费者的里程相关的购买意愿模型可以帮助将前述的消费者调查结果延伸到需求边界的讨论中去，其中有 52 %~54 % 的美国消费者对于电车价格溢价与续航能力处在上限需求边界之内，而有 29 % 的美国消费者对于电车价格溢价与续航能力处在下限需求边界之下。从图2 中的上边界数据（黄色区域的外侧）可以看到，在没有政府补贴的情况下，现用电动汽车的品牌中没有一种可以满足 50 % 的消费者基数的需要。事实就是如此的严苛。

图2. 2017 年电动汽车几大车型的续航能力与价格溢价展示。价格溢价的定义标准是相对同等车型规模下的平均交易价格而言（包括 ICEVs，排除豪车）。特定的 2017 年电车车型也在绿色区域内再次作图，它们的价格也相应地根据 70 美金/kWh 的电池成本（初始的电池成本预估为 250 美金/kWh）作出了调整。+ 与 × 符号分别到代表了 52 %~54 % 与 29 % 的美国消费者们的续航里程和价格需求，这些数据点通过一个里程相关的购买意愿模型被拓展到边界需求理论中。豪华电车基于其他豪华汽车的价格溢价在本图中并没有进行测算，这样做是为了突出每一辆汽车的价格溢价与以花费为首要考量的普通消费者的价格需求对比。

当然，也有比较乐观的看法，有近来的预测表示到 2030 或 2040 年，借助于制造效能的提升，锂离子电池包的价格可以降低至 $70/kWh。如果 2017 年的电动汽车市价也调整到相应数值，那么有三款车型（雪弗兰 Bolt、现代 Ioniq 与特斯拉 Model 3）貌似可以超过 50 % 的用户需求阈值，如图2 中所示。

但是即便储能成本这个短板从电动汽车的方程中移除，现用电动汽车的续航里程也无法满足 30 % 的美国消费者的需要，更别说其他有着高度汽车依赖的国家了。

因此在控制成本的前提下大幅提升续航里程似乎是华山一条路了，这就直接指向质量能量密度这一关键指标。以锂离子电池为例，能量密度的提高一般有三板斧：1）锂金属负极；2）高电压；3）减少安全器件（太重），但收之桑榆，失之东隅，安全性能会以肉眼可见的程度损伤。固态电池颇有潜力，它可以调用锂金属负极与高电压正极材料，同时兼顾安全，然而其实际发挥的面积比容量低到无法接受（<1 mah/cm2，因之带来的质量能量密度比最新的锂离子电池要低），且循环寿命也无法保障（<20 cycles），即便是最优化的锂金属负极电芯貌似也无法在实用条件下超过 350 Wh/L。

因此，远程运输交通市场的电动化正迫切等待着可用的、具备更高质量能量密度的、更低成本的、更高安全性能的电池化学体系与储能技术。

 低成本运输&交通

对于大基数的潜在客户群体，电动汽车的成本而非续航里程才是他们的关注重点。图3 是针对特定国家机动车注册数据（包括电动汽车与传统燃油车）的离散选择模型拟合结果。

在这方面，不同国家之间差别显著，例如美国消费者们愿意为多增一公里的里程而额外支付$21（21$/km），但是发展中国家（中国、印度、巴西与印尼）的平均数值只有 $8.4。

图3 还有分析一组相当有趣的数据—机动车价格的负对数系数，这个指标度量的是促使消费者购买几率下降的价格增长的幅度，几个发展中国家的负系数的平均值要高于美国。令人惊奇的是，在中国，这个系数为负，意味着价格更高，更能刺激电动汽车的消费。不过，这份超高的销售数据源（到 2016 年为止总销售额为 2 亿辆）自更低廉且更小型的低速电动汽车，包括二轮以及三轮，对比传统电车的数据（到 2016 年为止总销售额为 60 万辆）可以得知中国乃至印度、巴西与印度尼西亚等国对低价运输交通工具的深度市场野望。

在中国这样的新兴市场上已上线的电车与发达国家的同伴有着相似的价格溢价，目前的低价运输交通市场在现行锂电式电动汽车的填充下已尽显匮乏，更何况伴随着发展中国家的持续工业化所带来的市场激增。如果以小型汽车与次紧凑型汽车的电池能量对续航里程作图，我们会得到一条斜率为 0.19 kWh/km（单位里程的能量损耗）的斜线。在发展中国家，平均购买意愿为 8.4 $/km，除以0.19 kWh/km就可以得到大致的储能价格—45 $/kWh，将成本控制在此范围内的电化学储能技术方可在新兴市场中立电动交通工具于不败之地。换一句话说，具备更高质量能量密度、与锂离子电池相似成本的技术也可以通过降低上述的能耗价值来振奋市场。

图3. 美国与新兴国家的乘用车购买习惯对比。细节为美国消费者与特选的新兴国家消费者的附加里程的购买意愿以及汽车价格的负对数系数对比。文献 [22] 中有详细的计算方法。负对数系数的量级越高，意味着随着汽车价格的升高则消费者的购买几率越低。需要注意的是，新兴国家的平均购买意愿并不是给定数据的平均值，而是由汽车价格的平均对数系数与每个新兴国家汽车的平均续航里程计算而来。

高频度运输&交通

高频用车辆的污染排放对气候变化与空气质量下降负有重大责任。

在 2015 年，二氧化碳排放的 1/3 就来自货车，这个份额随着工业化国家乘用车能效越来越高而逐步增加。因此，引导货运用车领域内的电动化非常关键。

高频用运输对于电动汽车用的储能技术有着更高的需求。首先，快充能力考量权重提高了，因为货运对于时间非常敏感。但是这同样容易造成电池的老化与安全隐患，多台电动汽车同时快充还会给电网的部件造成额外的压力，到最后不得不进行一些高成本的升级更换。因此，想要切合高频用电车市场的一个重要的方面就是这些储能技术在平稳对接电网时快充的能力。

另一个需要重视的方面就是高频用车的重量。相较于私人轿车，锂离子电池包的重量也需要成比例地方大才可以使得这些大型车辆达到相同的里程数，但是更大的电池包通常表面积/体积比更低，这意味着散热较慢，那么随之而来即是老化与安全隐患，现行的复合冷却技术要么很贵要么使用有毒物质。

 电化学技术备选方案的评估

前面细述了对于不同车型，储能技术的要求也各不类同。与锂离子电池相比，对于长途用与低成本的电动汽车，车用电池需要更高的能量密度与更低的储能成本，对于高频用电动汽车，车用电池的快充、电网兼容性与安全使用性能更为关键。当然，锂离子电池坐拥着其他几种特质，是其他电化学技术仍然需要去完善的。

图4. 可充电电池与氢燃料电池的特征。质量能量密度、体积能量密度与功率密度波动范围的上界表示实际可达的预估数值，而下界则代表了已经获得的数据（储能成本如出一辙）。循环寿命、日历寿命、能量效率、自放电性能与工作温度范围的数据总结自商用或模型电池实测的上限与下限。储能成本指的是电池包或者系统层级的成本，而质量能量密度、体积能量密度与功率密度对应的是电芯层级的数据。现有文献的信息不足以确定质量能量密度、体积能量密度与自放电速率的上下限或者相关数值。对氢燃料电池，能量相关的特征只能应用在常规储氢罐内（不包括燃料电池）的氢上，功率密度也只能应用在燃料电池上（不包括储氢）。氢燃料电池的循环寿命与自放电速率尚不可用，因此也不讨论。安全性能、快充兼容性与电网兼容性均可以用 0 （最差）到 10 （最好）的数字进行量化评级。由于将可燃、液态的电解液更换为不可燃、固态的电解液，固态锂离子电池的安全性基本上倚靠隔离膜的安全评级。

图4 比较了目前可用于电动汽车的电池技术在不同指标上的优劣。定量的安全级别可以通过使用的电解液类型（可燃或不可燃）、过热的潜质、有毒或腐蚀性物质释放的潜质来进行研判。快充性能可以半定量地通过功率密度来评级，电网兼容性可以半定量地通过能量转换效率来评级。氢燃料电池具备最好的快充性能与最佳的电网兼容性，因为它们可以在不打断电网的情形下快速地转换氢气。

需要指出，图4 中储氢的能量特征（质量能量密度、体积能量密度与储能成本）都应该直接与其他电池化学体系的指标进行比较，因为一个耦合的燃料电池系统的质量、体积以及成本无法明确估量。不像常规的电池，一个氢燃料电池集成系统的总体能量（即储氢的总量）是可以被单独地提升，不受总体功率的影响。也因为这种本质上的不同，氢燃料电池并不放在下面的分析讨论中，它们会被专门辟出一节进行评价。

图4 种几个重要的度量如质量能量密度、体积能量密度以及储能成本等均可以在计算汽车里程（R_v）、整车成本（C_v,t）以及电池包体积（Vol_b）中得到很好地展示，详见算式（1）、（2）、（3）：

式中，ECE_V 是电动车的能耗效率，M_V 和 C_V 分别是电动车的重量与不包括电池包的成本。C_B 是电池包的成本，SE_BC 与 ED_BC 是电芯的重量比能量密度以及体积比能量密度，k_m,B 与 k_vol,B （无量纲）分别是电池包质量与体积的开支因数。单个电池的开销因数反映的是电池运行的安全设备或者空气调控装置（锂空电池）的等级。

迷你车（低成本电动车市场的主流），中型车（远程电动车市场的主流）和半拖挂车（高频用车市场的代表）的计算结果如图5a&b、5c&d、5e&f 中。图5a、5c 与 5e 给出的是电动车成本与行驶里程的函数关系，曲线的终点意味着电池的体积已经触碰到车型容许的空间极限。考虑到空间的限制，铅酸与镍氢电池较低的能量密度明显是一大劣势。在长途电动车的性价比上，锂硫、锂空与锌空具备超过锂离子电池的潜质。电动车提升里程的成本，可以与客户购买扩充里程的意愿相对应，这个指标与电动车续航里程的函数关系如图5b、5d 与 5f 所示。图5b 表明，锂硫、锂空与锌空电池可以使迷你电动汽车的扩充里程成本大幅接近于发展中国家的平均购买意愿水平（注：图3）。

图5. 整车成本与附加里程成本与行驶里程的函数关系。（a、b）迷你车（C_v=10000$，M_v=650kg，ECE_v=0.0985Wh·km^-1·kg^-1）；（c、d）中型车（C_v=25000$，M_v=1500kg，ECE_v=0.0777Wh·km^-1·kg^-1）；（e、f）半挂卡车（C_v=100000$，M_v=24000kg，ECE_v=0.0445Wh·km^-1·kg^-1）；图5a、5c、5e 中的曲线由表达式（1）与（2）计算得到，曲线的终点表示电池体积（表达式（3））触碰到极值了。图5a、5c、5e 中的曲线是有相应的图5a、5c、5e 中的曲线斜率计算得到。

图6 是根据不同电池体系能量与成本特征（注：图4）的上限与下限所围合起来的针对中型电动车的价格-里程大致适用范畴。在这区间里，我们可以看到锌空电池有驱动最长里程电车的潜质，而锂硫电池有驱动最低成本电车的潜质，之所以称之为潜质，是因为这项评估无法决定这些电池是否具备充足的功率、循环/日历寿命、库伦效率以及自放电速率来可靠地驱动一辆电车。因此，图5 与图6 展示的仅仅是这些电池的化学体系足以达到降低成本与提升续航里程的基本潜能。这些电池技术在乘用、商用以及公用交通方面的实用性细节将会在下面的讨论中进行分析。

图6. 中型汽车成本与续航里程的敏感图。在两条曲线涵盖的区间表示每种电池可行的成本与行驶里程范围，上界曲线表示的是最差情形，即对应最小质量能量密度、最小体积能量密度、最高的成本与最大的系统开销，下界曲线表示的是最好情况，即对应最大质量能量密度、最大体积能量密度、最低的成本与最小的系统开销

商用的可充电电池

这里先来看看现行已经商用的两款可充电电池，我们会以锂离子电池的替代者视角来进行评估。

铅-酸电池。这是目前世界上成本最低、使用最广的可充电电池。但是考虑到铅酸电池的质量能量密度与体积能量密度，它们也仅仅是在短途电车领域比锂离子电池更有价格优势（图5）。并且，相比锂离子电池，铅酸电池的体积更大，循环寿命更低，功率密度与能量效率更差，这些缺点使得它们在较新的低价低速自行车与电动车市场选择度上明显不如前者。不过，铅酸电池作为汽车电启动的辅助角色还是很有优势的：除了低成本之外的低温使用性（低至 -40 ℃）、更高的充电安全性与更低的自放电速率。

现今涉及铅-酸电池的绝大多数工作都是围绕着实现它们在混合动力型汽车中的再生制动充电与电机辅助。这就需要电池能够在部分充电的状态下承受住数以十万计的高功率微循环。传统的铅-酸电池在实施高放电倍率的情形下存在一个重大的问题：负极上大块的、绝缘性的硫酸铅晶粒的不可逆生长，而这又会影响它的后续快充能力。为了缓解这个问题，有人就试图采用各类的含碳添加剂来改善导电性、促进小型硫酸盐晶粒的生长、引入电容行为来缓冲高速充放电。这些“铅-碳”电池在低成本混动概念车上已经初露锋芒，随着之后的动力改善，它们可能会在全电动、低成本的双核驱动汽车上崭露头角。

镍-氢电池。1989 年就商业化的镍氢电池，是目前最常用的镍基电池，同时在大多数指标上也比铅酸电池更加优越。直到不久前，它们也还一直是混合动力车的默认选择，因此这项技术在再生自动充电与全电力牵引上已经得到良好的优化。然而，镍以及其他储氢金属的较高成本使得它们比铅酸电池还要昂贵。实际上，随着锂离子电池的降本趋势，镍氢电池比它们还要更贵。

现在的情况是，锂离子电池具备更高的质量&体积能量密度，更长的循环寿命，而铅-酸电池更便宜，镍-氢电池对于新兴的电动车市场似乎并没有明显的优势。然而，镍-氢电池选择的水系电解质与低活性金属使得它们在本质上使用更安全，良好的低温性能也能为寒冻地区的汽车启动提供保障。它们更加安全的使用性能也容许其被放置在汽车内的易撞击区域，比如前拦部位，这样的位置对于锂基电池而言就相当危险。镍-氢电池结构组分与吸能材料的替换被引为一种降低整车重量的创新方案，从而具备驱动长途电车的潜质。

新兴的可充电电池

下面，我们会考量三种不同的新兴电池技术的特征，它们被普遍预见为电动车应用的储能解决方案。

锂-硫电池。这类电池备受瞩目，乃是因为它们那亮眼的相当于 4.5 倍锂元素的理论容量以及相比典型的嵌锂型阴极价格更低廉的含硫阴极。不幸的是，含硫阴极碰到了挑战性的难题，比如循环过程中的急剧体积变化、硫以及多硫化锂相的低电导率以及含硫物种在常规锂离子电池电解液中相对较高的溶解度。这些问题都会导致低循环寿命、高自放电速率，它们对于电动车储能技术都是难以接受的。锂-硫电池同样也必须采用锂金属负极来维持对于锂离子电池稳定的能量密度优势。锂金属负极的挑战也是多样的，包括糟糕的循环寿命与差劲的快充能力（由于锂枝晶的生长与不可逆的电解液消耗）、较大的自放电（基于有害的副反应）与激增的制造与使用的安全隐患。

针对以上的难题，研究者们已经报道了多孔碳或导电聚合物“容器”包绕硫单质的电极，这一技术可以抑制硫的溶解同时也能够容纳体积膨胀、提升电导率、支撑充放电时锂离子的可逆迁移。对于锂金属负极，绝大多数以抑制枝晶形成与副反应的方案都涉及钝化层、包覆层、增强隔离膜或者使用固态电解质保护负极。上述方法都不能以牺牲质量&体积能量密度为代价来提高循环寿命与倍率性能，但这显然是现阶段难以企及的目标，文献中的模型电池在实际充电倍率与能量密度的条件下的循环均无法超过 500 圈。

相比锂离子电池，锂-硫电池实际可达的最大质量能量密度（600 Wh/kg for cell）与预估的最低成本（36 $/kWh）都是一个不小的飞跃，这些优势也使得它们在前述的三种新兴电车市场上具备一定的吸引力。然而除非它们的循环寿命有一个巨幅的提升，否则锂-硫电池对于频用电车仍是一个劣选。另一方面，那种需要不定期长途运行的商用车倒是一个比较现实的选择，因为它们的电池极少要进行满放的服役。很少有司机长途行驶需要频繁地激发（中型）锂-硫电池的深度放电，也就是说，不用太过于焦虑因频繁长途使用而引发的电池衰退，相比而言，传统的里程焦虑（长途驾驶无能症）才是心头大患。因此，在乘用电车上，锂-硫电池具备正面硬刚锂离子电池的能力，因为在一个相对可行的价格层级上，它们可以降低成本并消减里程焦虑（图5）。

锂-空气电池。得益于大气氧的动力提供，这类电池可以比锂-硫电池提供更多的质量&体积能量密度。然而，它们所展示出来的循环寿命却低得多，最多也不过 100 圈。循环寿命的改善可谓难度不小，问题多多，比如含锂的放电产物堵塞空气电极、高电压充电导致的催化剂衰退、大气水分与不可逆电解液分解引起的锂金属副反应。另外，尽管目前锂-空气电池的功率密度与能量效率的有效估算还不可考，但这些指标很有可能要比前述的电池系统差得多，因为在空气电极上的氧气动力学相当迟滞。

而且，在考虑进用以防御大气中二氧化碳以及水分的装置之后，锂-空气电池系统能量密度的最大预估值也只有 384 Wh/L（系统层级）。这实际上为锂-空气电池（相比于锂离子电池）大幅改良续航里程的能力上预设了一个体积能量密度的天花板（图6）。从另一个方面来看，它们较低的综合成本与较高的质量能量密度对于长途与低成本乘用电车而言还是很有吸引力的（图5）。然而不像锂-硫电池，锂-空气电池需要一种额外的高功率电池才能实际应用，因为它们的功率密度实在是太差了。

锌-空气电池。尽管质量能量密度略逊锂离子电池一筹，但锌-空气电池貌似更有可能应用在未来的电动车中，因为它们具备更领先的技术地位与更高的实际可达的体积能量密度。在锂离子电池登上舞台之前的几十年中，锌-空气电池一直被视为汽车电动化的潜在备选。与锂-空气电池类似，锌-空气电池糟糕的体积功率密度与能量效率也可能会是制约它们成为供能主核的阿喀琉斯之踵，然而，一旦用在双核电池系统中，它们又会华丽上线。锌-空气电池与高功率型的铅-碳电池组合后，可以成就一台低成本的电车，尽管这种系统可能需要更高的循环寿命来维持汽车的服役时长。另一种可能，就是锌-空气电池可以作为锂离子电池主驱的电车的里程增益，来确保电车的长续航。在司机偶尔需要长途驾驶的情形下，它们偏少的循环寿命与较低的效率都显得多少有点不太重要了。尽管双电池的理念会显著地增加成本与复杂程度，但锌-空气电池的固有安全性能使得它们极度适配双电池构型，因为它们（类似镍-氢电池）对于车内机械位置的选择并不挑剔。

这些应用的成功依赖于锌-空气电池的耐久性。改进双功能型氧气催化剂与锌电极的循环稳定性同时保持较高的质量&体积能量密度，对于实现较高的循环寿命至关重要。降低或去除空气电极中的碳也可以提升锌-空气电池的日历寿命，因为碳基的空气电极极其容易受到碱性电解液的腐蚀，即便是在电池静置的情形下。在空气电极孔洞中由二氧化碳形成的碳酸盐，以及电解液的增发，对于耐久型的锌-空气电池而言是接下来的挑战。问题只有通过空气过滤器与可重复密封的气阀解决后，锌-空气电池才能进行增程应用。

氢燃料电池

氢是一种携能物质，它可以由低碳源产生并存储到相对于多数电池更高的质量能量密度（图4）。因此，具备这种潜质的氢燃料电池被定位于运输领域中的去碳化。首批量产的聚合物电解质膜（polymer electrolyte membrane，以下简称 PEM）燃料电池型电动汽车（fuel-cell electric vehicles，以下简称 FCEVs），于 2013-2014 年由现代、本田与戴姆勒公司引入。这类电车相比于现行纯电动车（battery electric vehicles，简称 BEVs）的优势包括更高的续航里程（超过 500 km）以及更快的续料（3-5 分钟即可续满储氢罐）。但自 2016 年以来，FCEV 的累积发售只占到电车销售额的极小部分（不到 10000 辆或者小于 0.5 %），它们要想拿到更好的市场份额，必须要越过几大难关。

相比传统的电车，FCEVs 的售价更高，这点倒是类似于 BEVs，需要归因于它们电化学的功率供应。储氢罐与燃料电池系统是其中最为昂贵的组件，因为它们内含超贵的材质与设备比如铂、碳钎维、加湿器以及换热器。随着量产规模的扩大，这些组件的成本几乎全都会下降不少，当然需要排除铂族金属（platinum-group metal，以下简称 PGM）的催化剂，因为它们实在是太稀缺了。想要达到与 ICEVs相似的 PGM 含量，FCEVs 必须降低 PGM 载量至现有先进水平的 1/4。这就非常倚赖于折中水准的 PGMs、高效高耐型催化剂的研发。

中型电动汽车与半挂电动卡车的 BEV  与  FCEV  的成本对比如图7a 与 7b 所示，应用算式（1）~（3）可以大致估算出传统 FCEV 的里程与成本、储能与转化系统的体积，计算时只需要将原式中的耗能效率替换成耗氢效率，同时纳入储氢罐与燃料电池系统的额外重量、额外体积与额外成本即可。更新后的公式如方程（4）、（5）、（6）所示，分别为 FCEV 的里程计算、整车成本计算、电池包与燃料电池系统和储氢罐的综合体积计算。

上述式中，M_H2 是储氢的重量，HCE_V 是电车耗氢效率，SE_H2 是氢的质量能量密度，M_FC、P_FC、C_FC 与 VF_C分别是燃料电池系统的重量、功率、成本与体积，M_HT、C_HT 与 V_HT 分别是储氢罐的重量、成本与体积。FCEV 续航里程增加的成本敏感程度更低一些，因为要提升里程只需增大储氢罐的大小、数量或者压力，而这些因子按照单位能量层级（/kWh）相比锂离子电池包而言要更轻也更便宜。

然而，在乘用车领域（图7a），燃料电池系统现阶段居高不下的成本让传统的  FCEVs  比  BEVs  贵上许多。先前的估算预计乘用型 FCEVs 与 BEVs 在较低续航里程的状况下有一个成本交叉，但随着近年来锂离子电池成本的直线下降以及之后估价的持续走低，这个成本的交叉点也被升级到较高续航里程的位置上（图7a）。另一方面，半挂卡车在工况的续航里程下貌似更适合于使用燃料电池系统而非锂离子电池进行电动（图6b），缘由十分明晰：对锂离子电池而言，要获得与燃料电池相同的续航里程，需要加增电池系统重量，那么电驱半挂卡车的载能势必减少。

图7. 锂离子电池与氢燃料电池的整车成本与行驶里程的函数关系。（a）中型汽车的 BEVs 与 FCEVs 曲线对比；（b）半挂卡车的 BEVs 与 FCEVs 曲线对比。曲线是通过算式（4）~（7）计算得到的，需要注意的是，2017 年与 2040 年的差异只用来表明价格的预期下落，既不能代表锂离子电池质量能量密度的提升也不能代表氢燃料电池的功率密度与效率的改善。每条曲线上的 × 符号表示电池包、储氢罐与燃料电池系统超过 300 L（中型汽车）或者 2500 L（半挂卡车）

目前一些较新的 FCEVs 会定制一款较大的锂离子电池作为 i）短途行程的纯电池动力推进器以及 ii）燃料电池的大块头动力辅助系统，这样一来燃料电池系统的尺寸可以得到缩减。这类插电式混合 FCEVs 可以使用算式（7）进行估算，这个表达式也是公式（1）与（4）的组合变形：

以储氢质量作为变量，将式（7）作图可以得到一个比较明确的趋势：更低的整车成本与大幅提升的可达里程，这一切要得益于燃料电池系统尺寸的缩减（图7a）。长期的预计成本显示，在达到 800 km 的续航里程下，一辆中型的插电式混合 FCEV 会比同量级的锂离子电池 BEV 便宜 5000 $，比同型的 ICEV 贵上 6000 $，在美国消费者这个群体内，这个数据使得它们会获得相当可观的青睐（图2）。

另外，2000 km 续航的混动 FCEV 卡车也已经步入研发阶段。FCEV 的使用目前面临的一大障碍就是现行十分匮乏的氢运输与配送的基础建设。一座加氢站（包括氢配送或者原地生产）的资本成本在一百万到一千万美金不等，这要比一座电车的快充电站贵上不少（不到 200000 $）。因此，近期内，FCEVs 与氢基建的开发最合理的方向是在高频用商用车领域，少数规划性定点的加氢站为既定运行路线的频用车辆进行供配，这样它们的高投入成本才会有的放矢。在更大的规模上，为匹配 BEVs 的充电需求将电网升级的费用反倒要比建设一条加氢网络更贵。

FCEV 的大范围使用的另一种可行性就是它们相对于其他电池系统的能量效率。整套的“绿色可移动的氢循环”包括水解产氢的储能、氢气的压缩（必要时还可以运输）以及氢转化再次驱动 FCEV，而它的效率基本上在 25~30 % 之间（不考虑热量回收与再利用）。现阶段的工业级氢是可以达到更高的效率，但制备的工艺会带来较大的碳排放。一台 BEV 的充电与驾驶的总体效率大约在 80~85 % 之间，相比之下这意味着一辆 FCEV 将会需要大约 2.5~3.5 倍的能量来保证相同的里程。

但 FCEV 与 BEV 应用的全面成本对比必须要囊括（i）升级现有电网的成本 vs 构筑一套氢基建的成本以及（ii）匹配峰值需求的额外能量在低电力需求期间的存储方式的考量。一份针对英国情况的类似研究表明，只依靠电力供给终端技术（如 BEVs）的“电气化”方案会比以氢作为首要能源载体的“全面贡献”模式贵上大约三倍。同样值得注意的是，在单位能量（/kWh）层级，结合储氢的碱性电解方案的资本成本比其他任何一种商业化应用规模的技术要低。

最后，PEM 燃料电池的耐受性也是它们潜在成功的一个重要因素。特别对于高频用市场，PEM 燃料电池想要达到与现行 ICEVs 相似的循环寿命，一个重大的挑战就是需要具备足够强大的耐受性。备受鼓舞的是，最近两台 PEM 燃料电池驱动的大巴（其中一款采用的是加拿大巴拉德公司的 FCveloCity-HD6 模组）已经贡献了 25000 h 的服役时长——相当于 4~6 年的循环寿命，这一数据也达到了美国能源部与联邦交通管理局对于燃料电池动力系统的预期寿命。乘用 FCEVs 目前也接近 5000 h 的预期服役时长。插电式混合 FCEVs 经过燃料电池与大型电池间换电技术的优化后可以具备更高的可靠性。

展望

具备优异的质量能量密度、体积能量密度、成本、安全性能以及电网兼容性的二次电池与燃料电池，对于长途、低成本与高频用运输交通市场的电动化而言是十分必要的。尽管现在还没有一招鲜吃遍天的技术，但本篇综述所论及的每一种技术都至少可以对应到电动汽车这个新兴市场里的每一类终端应用（图8）。高功率型的铅-酸（铅-碳）电池可以作为低成本电车内低功率、高比能（质量能量密度）电池的增补，而镍-氢电池可以通过输出额外的能量并通过即时的更换结构或吸能组件来提升锂电式电车的续航里程。锂-硫电池可以完全替代锂离子电池助力长途、低成本电车市场，而锌-空气与锂-空气电池作为里程增益同样可以在上述领域内成功应用。

最后，快速续料与电网兼容的氢燃料电池对于高频用运输市场而言是一剂天然的配方，而氢的较高质量能量密度与体积能量密度同样可以使得它们在长途乘用电车市场上备受青睐。锂离子电池目前对于特定的电动市场应用而言确实是所有特性的最优组合，但使用常规电池与燃料电池多元混合的电车应用将会大大加增完全过渡到清洁、低碳运输交通的可能性。

本文全文翻译自Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets