在普通大眾看來，鋁水反應(yīng)在汽車上應(yīng)用已經(jīng)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(huán)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(lǐng)域，氫燃料電池加氫快，能量密度完爆鋰電池。當(dāng)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(fēng)險。與之對應(yīng)，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(yōu)勢，在當(dāng)前鋰離子電池已經(jīng)走到能量密度瓶頸的階段，氫燃料電池?zé)o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(guān)公司聞風(fēng)而動，并催化出了南陽水氫發(fā)動機這樣的鬧劇。
但不可否認(rèn)的是，氫燃料電池雖然優(yōu)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(yè)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：
(主要制氫方法，來源：華創(chuàng)證券)
各類制氫方法各有千秋，但用在新能源汽車這個領(lǐng)域，我們主要考慮兩個指標(biāo)。
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(chǎn)品的重要考量因素，天價的產(chǎn)品，必然不是民間的選擇。
二是清潔，畢竟用氫燃料取代傳統(tǒng)化石燃料的原因，就是因為清潔，如果氫的來源就是傳統(tǒng)化石燃料，那么為什么不干脆燒傳統(tǒng)燃料呢?還避免了轉(zhuǎn)換過程的能量損失。
我們先來看成本。
(主要制氫方法成本，來源：氫云鏈)
傳統(tǒng)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(chǎn)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(jù)鋁粉17.6元/kg的價格，九公斤鋁產(chǎn)生一公斤氫氣的比重，生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)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(zhì)，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(zhuǎn)的模式。
氯堿制氫，是當(dāng)前制作氫氣的最主流方法之一。但他是燒堿工業(yè)的副產(chǎn)品，受主產(chǎn)品產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，根本不夠用。而與此同時，氯堿工業(yè)的制氫方法，其實就是電解氯化鈉水溶液。將氫氣變成主產(chǎn)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%。
(電解水制氫方法成本結(jié)構(gòu)，來源：華創(chuàng)證券)
而從發(fā)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(fēng)力發(fā)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(fā)電和風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電量不穩(wěn)定，長期以來無法并網(wǎng);而富光、富風(fēng)的區(qū)域本地?zé)o法消納大量光伏、風(fēng)電發(fā)電的電力，多年以來我國都有所謂“棄光、棄風(fēng)”現(xiàn)象。2017年主要清潔能源地區(qū)“棄光、棄風(fēng)”比率仍然高達(dá)20%。如果將這些地區(qū)大量白白棄用的清潔能源電力，用于電解水生產(chǎn)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(fā)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(shù)路線，實質(zhì)上反而是一種很好的發(fā)展路線的原因。據(jù)說當(dāng)前日本本土電解水制氫的比率已經(jīng)高達(dá)63%。
然后再來看鋁制氫技術(shù)。
在環(huán)保層面，鋁制氫技術(shù)的最大優(yōu)點就在于，鋁從鋁粉變?yōu)闅溲趸X，整個過程中鋁金屬沒有損失，通過回收，可以持續(xù)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(yè)，對于制造終極燃料——氫氣來說，在有可替代方案的前提下，優(yōu)勢并不明顯。從這個角度而言，說進行鋁粉制氫量產(chǎn)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(jié)束，在不同的場景，他將轉(zhuǎn)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(chǎn)20倍的產(chǎn)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(dān)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(jīng)走到盡頭。盡管SK在努力向9:0.5:0.5進發(fā)，然而能量密度的極限最多也只能達(dá)到比目前水平翻倍，保持在500WH/KG的水平。對于翻20倍，達(dá)到5000WH/kg的能量密度，絕對是只能望洋興嘆。
這樣一個現(xiàn)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(dá)到，只不過這樣的電池已經(jīng)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(fā)計劃，在右下角的紅色區(qū)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(fā)展方向的規(guī)劃時期是2030年以后。雖然久遠(yuǎn)，然而確確實實是未來發(fā)展的方向之一。
對比當(dāng)前的鋰離子電池來說，鋁空氣電池的最大優(yōu)點在于能量密度高，理論能量密度高達(dá)8100WH/kg，與當(dāng)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(huán)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(dāng)然這只是最大的優(yōu)缺點對比。鋁空對鋰離子的其他優(yōu)缺點對比如下表，
(鋁空電池與鋰離子電池優(yōu)劣勢比較)
由表可見，鋁空氣電池在毒性、可循環(huán)利用性、元素儲量等方面均有明顯優(yōu)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(xù)航1600公里的鋁空氣電池，重量只需100KG。對比當(dāng)前品質(zhì)比較優(yōu)秀的鋰電池車，續(xù)航400KG，電池500KG左右的重量，鋁空氣電池的優(yōu)勢十分明顯。
然而遺憾的是，如此優(yōu)秀的未來電池路線，顏值卻被“水氫發(fā)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(fā)電，還會放出氫氣，也跟水氫電池別無二致。所以，當(dāng)水氫發(fā)動機的騙局橫行多時，當(dāng)大佬以水制氫就是傻子的論斷廣為接受。為遠(yuǎn)在10年之后的先進電池做準(zhǔn)備的人們，無疑會遭受不小的挫折。
劣幣驅(qū)逐良幣，在科技發(fā)展的歷史上，時刻都在發(fā)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(biāo)準(zhǔn);市場是檢驗技術(shù)的關(guān)鍵考量。對于所有的原發(fā)型創(chuàng)新來說，由于沒有先例可循，將實驗室的東西搬出去量產(chǎn)化，去投資，去試錯，是檢驗創(chuàng)新與技術(shù)的唯一辦法。有可能某項技術(shù)會取得巨大的成功，那我們就利用他;也有可能這項技術(shù)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(dāng)前由模仿創(chuàng)新時代進入原發(fā)創(chuàng)新時代的中國必須學(xué)會的第一課。從這個角度來說，我們顯然應(yīng)該對把實驗室里用的東西搬出來量產(chǎn)的人，持有更加寬容的態(tài)度。
如果他是騙子，我們當(dāng)然要狠狠的打擊;但如果只是傻子，我們反而應(yīng)該對其一腔孤勇，贊一聲勇氣可嘉。
話說回來鋁空電池的發(fā)展，正是秉承著要想發(fā)展，必先使用的思路。雖然鋁空氣電池是十年后的技術(shù)，當(dāng)前力爭發(fā)揮其優(yōu)勢，規(guī)避其劣勢，將其投入使用的公司仍然不在少數(shù)。例如2014年美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy合作，開發(fā)出了100公斤鋁，續(xù)航3000公里的鋁空電池車。2018年現(xiàn)代汽車新能源汽車研發(fā)基地所在地韓國蔚山，推出了能量密度高達(dá)2,500Wh/kg的鋁空氣電池車，一公斤鋁所實現(xiàn)的續(xù)航里程高達(dá)700KM。
新的進展在不斷出現(xiàn)。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(yōu)缺點后我們可以發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)卻缺乏長續(xù)航里程。如果將這兩者放在一起，用鋁空氣電池給當(dāng)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(xù)航里程。
前面提到的加拿大與以色列公司的產(chǎn)品，就是這個思路。當(dāng)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(chǎn)Note增程式的油耗大約只有百公里2-3L，日產(chǎn)表示油耗還能再降。而在國內(nèi)，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(shù)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(dāng)前國際形勢下，我們必須做好原油斷供的準(zhǔn)備。替代燃油的能源結(jié)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(shè)計還有優(yōu)良的路徑可替代性。
因為即使有一天氫燃料電池技術(shù)發(fā)展成熟，氫燃料電池本身的特征也不適合作為直接驅(qū)動使用，還需要與鋰離子電池結(jié)合。換句話說，氫燃料電池車本身就是氫燃料電池串聯(lián)鋰離子電池的增程式結(jié)構(gòu)。當(dāng)氫燃料技術(shù)發(fā)展逐步成熟，汽車將鋁電池?fù)Q下來，裝上氫燃料電池即可，幾乎可以無縫銜接。
當(dāng)然這只是一條理論上可行的路線。真正實現(xiàn)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(yīng)該一棒子打死。因為科學(xué)本來就是一場冒險的探索，創(chuàng)業(yè)本身就要跨越死亡之海。不試錯無以出真知，不量產(chǎn)使用無以迭代出產(chǎn)品。好比一直趴在試驗室的中國芯片，如果沒有量產(chǎn)試錯不斷改進的過程，就永遠(yuǎn)沒有進步并與國外產(chǎn)品一較高下的空間。
過去四十年的發(fā)展，我們習(xí)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(fēng)險也更高的方向。卻值得新生代與老一代企業(yè)家一起掌舵，共同開拓的創(chuàng)新型的未來。
