锂电池和氢能源，谁是未来能源的王者？

本文来自微信公众号：爱思考的柚子（ID：gh_c899544adc0a），作者：彭程柚子投资合伙人，头图来自：视觉中国

锂电和燃料电池虽然是不同的技术路径，但两者都实现碳中和的主流能源方案，可以放在一起对比。终极能源是谁可以从两个角度去评估，一是能源利用效率，二是能源密度。前者决定了成本优势，后者决定了应用场景广泛性。

一、能源利用效率和能量密度的不同

1. 能源利用效率

锂电池和燃料电池都是利用电，但锂电池是直接用电，而氢还需要通过电转化而来，因此氢作为二次能源，能量利用效率肯定是低的。如下图氢燃料电池系统（左）要远低于锂电池，这也是马斯克diss氢能的点。

上述结论的前提是未来电力都是来自太阳能和风力等绿色电力，从新能源普及的角度看，则结论不完全一样。

• 能源一直是多种并存的结构（如下图各种曲线）。

  
  

• 新能源的占比从1%到10%需要50年时间，绿色的石油用了45年，可再生能源13年只增长了5%。

如果仍以化石能源发电为主的情况下，燃料电车和电动车综合能效其实差不多，甚至燃料电池更高。

2. 能量密度

在能量密度上，锂电池和氢完全不是一个量级，差了100多倍，这是氢的优势。从能量保存时间段来看，电池的电量流失按照天计算，氢能源按照季度、月计算的。总体看氢能源的应用场景会比锂电池多很多。

从转换效率和能量密度比较后，两者的应用场景就比较清晰了。

二、氢能源和锂电池行业的发展

1. 新能源的发展驱动力

氢能源发展阶段和锂电池非常像，2017年燃料电池与2012年锂电池，2002年的光伏，1994年的风能，在装机容量上是一样的。

但新能源的驱动力很大程度源于国家政策的推动，光伏是在欧洲政策推动下慢慢做起来，锂电池在中国和欧盟都是推动电动车带动的。欧盟电动车销量2020年是超过中国一点点的，占新车比例也达到10%。

虽然看起来燃料电池比锂电池等晚了5年，但实际上国内和国外政策力度都差很多，因此实际差距要远大于5年。针对氢能源的国家政策主要是十城千辆，主要原因是：

• 一是范围更小：第一期试点的城市准备要出来，基本上是北京、上海、广州+河南、河北。

  
  

• 二是补贴力度更弱：只有170亿，而电动车类累计的国家补贴已经达到1206亿（截止2020年5月），相差7倍。

  
  

• 三是时间更短：十城千辆的政策是4年，年均补贴42.5亿，电动车10年，年均120.6亿，相差2.8倍。

2. 两者发展基础的不同

氢能源和锂电池行业所需的技术和基础设施有很大不同。电池行业经历了最早的玩具里的镍氢电池，手机三元电池，从手机到公交车，从低能量密度到高能量密度的乘用车，技术发展与验证迭代是连续的。同时电动车不存在能源的问题，一开始就有很发达的电网，只要铺好充电桩就可以获得能源。

燃料电池在这两端其实都不占优势。既没有加氢的基础设施，也没有消费应用铺垫，直接是车规级。虽然巴拉德的燃料电池在叉车上已经完全可以商用，但市场过小。因此需要从能源基础设施和应用场景双管齐下。

在应用上，国内是亿华通在公交车上做第一步尝试，有部分装在商用车。（以下数据备注：日本、美国及中国的数据截至2019年4月，欧洲数据中德国数据截至2019年7月）

能源上，氢气在整个工业体系里面很丰富，包括工业副产氢、煤制氢和天然气制氢，足够支持早期的氢能源供给。主要缺乏的是加注网络，这部分很可能会通过天然气的发展得到弥补。首先天然气在商用车上运营的成本要比柴油车低20%到30% ，现在大批量的商用车在改成天然气，需要修建天然气加气站。如果改成天然气站后，预留一些设备再改成加氢站会容易很多。

三、应用市场和车用市场

1. 应用市场对比：车用

下面是整体的碳排放量，交通占百分之十几，电力供应占最多44%。

交通运输里乘用车其实只占了20%的排放量，最大的部分其实在商务车上占77%的排放。

为什么锂电池不适合用在商用车上？举一个实际的例子，model3电池重量差不多800公斤，低配版大约450多公里的续航，实际应该是400km左右。商用车以最近一个主机厂狂推的某款电动商用车为例，2.5t电池续航190km，以9.6m为例，19t总重量扣掉7t自重，还有12t载货重量，但是这个续航只有190km，如果想做到500km（基础门槛）的话，至少还需要3t电池，这也意味着少装3t货，成本上就完全算不过来。

现在大家提出解决方案，建沿途换电站，我们认为换电站基础设施跟加油站很像，要有企业巨头来做，还是有难度的。所以电池商用车基本没有实用性。

锂电池差不多220wh/kg左右的能量密度，只有做到半固态电池、固态电池才能做到500wh/kg，能量密度提高一倍之后，纯电重卡才有使用价值，在5年之内看不到可能性。

从能源成本（充电/氢气）来看，氢燃料车的百公里能源成本远大于电车。目前终端氢气价格大约是60元/kg，锂电池平均900元/kwh。据DOE，氢气下降到30元/kg时，锂电池下降到700元/kwh可实现与传统燃油车平价，很明显，锂电池只差20%，而氢则差50%。

2. 车用市场的发展路径不同

新能源技术对于所有汽车主机厂而言，这是锂电池和氢燃料两个技术路线都是很烧钱，没有人可以持续在两个方向投资。因此需要根据所在市场进行针对性研发。

欧洲的车企20年前就开始布局氢燃料电池，奔驰+福特+日产在加拿大合资公司开发燃料电池。德国车企一直是在用柴油路线走清洁能源去达标欧盟的标准，加氢站的缺乏，使得燃料电池应用一直不落地。

当排放门事件发生后，欧系主机厂有个技术的断档，开始迅速的转向电动车。大众最积极，因为大众在新能源和燃料电池上的积累都不够多。奔驰也放弃了在乘用车使用氢燃料电池的技术路线。但戴姆勒和沃尔沃又合资开发商用车的氢燃料电池。

美国则完全走的电动车路线，美国整体的能源网络非常市场化。政府只给了购车的补贴，并没有补贴修建加氢站，因此氢能源很难发展起来。

中国的电网、发电、石油等企业都是国企，加上足够大的国内市场，是可以支持锂电池+氢能源两个方向发展的。于是国内氢市场是在2018年李克强总理去日本考察之后才开始启动。

坚持氢路线的丰田和现代，所在的日本和韩国的市场很小，其实丰田和现代都可以看出把美国当成主要市场的主机厂。因此我们认为商用车将主要用得是氢能源。

四、应用市场对比：储能

从效率角度：

光伏发电后利用锂电池储能：光伏发电的效率基本上是20%，然后加上锂电池的损耗10%的的话，就是18%的效率。

光伏发电后（18%）-电解槽电解水制氢（80%）-氢储能-需要时再用氢燃料电池系统发电（60%），这个是氢储能的链条。算下来16%*60%≈9.6%的效率。

从成本角度：

现在锂电池的度电成本（每储存一度电的成本），用在光伏或者风能上，最好的能做到四毛左右，梯次利用即汽车上用的锂电池淘汰下来之后最大的两个用途，一个是变成外卖小哥三轮车上的电池，或做铁塔储能、或做路灯用。这种电池差不多也要200到300，基本上是两毛多/kwh的成本。

为什么未来的锂电池做下来还要两毛多的成本呢？锂电池在过去这些年其实降低了80%的成本，但是储能成本并不是线性下降，锂电池的规模越大，耗电量和成本都越高。氢电池相反，规模越大、单个罐子越大就上压缩机越经济。长期看燃料电池绝对是碾压锂电池的。

当然还有市场孵化的问题，美国由于电网市场化，电价大概是中国的8倍，所以美国消费者有动力进行波峰波谷的储能和调节。但中国不一样，零售端价格几毛，商业端一元多，所以中国的储能并不会发生个人端。中国储能其实更多会放到发电端，中国储能装备会更加大型化和集中化。观察韩国和日本走的技术路线，他们就在发电端，包括用热电站的废热等。

1. 两者的投资逻辑

锂电池产量很大，新车年销量2000万辆 ，产业链上每个公司的规模足够大，因此头部公司的规模大，技术强可以形成很强的马太效应。因此锂电池行业的发展规律很适合参考太阳能板。国内最大做单晶硅的隆基股份董事长说过两个观点：

• 要赌理论值转化效率最高的技术路线，所以他选单晶硅，单晶硅当年的转化效率其实远远不如多晶硅。

  
  

• 技术不领先不盲目扩产，因为所有都扩产+技术升级老产能很快被淘汰。

在技术路线上，锂电池未来技术的固态电池也有多个方向，短期的改进也有多个技术方向，如下图。

• 黄色的三元的技术路线是高镍，比如常见的ncm811，现在又开始做无钴，这两个技术线的瓶颈都在280之内，下一步突破一定在正极材料上做4元或者新三元。

  
  

• 红色的磷酸铁锂的理论值非常低，由于成本非常有优势，适合短距离的低端车型，等到三五年后高能量密度电池价格降下来之后，才会对磷酸铁锂有竞争压力。

在扩产上，电池行业会投大量固定资产，基本上国产设备投1GWH需要1.5亿元，进口就需要2~2.5亿元。现在看到每一家的计划至少都是在3年之内要投进150到200亿元进去。

大额固定资产的问题是到底这条生产线可以用多久？如以前的太阳能板都是标准设备，新一代设备出来后，老设备就被淘汰了。车规级锂电池也一样，如果不升级设备的话，成本没有任何优势，整个生产线会变成一个巨大的包袱，折旧本来预计十年，但可能就三年就废了。

特别是10年之内技术不断演变，售价不断下降的情况下，能自研设备的厂商才可以极大的延长设备的使用时间，改进工艺和材料后，可以再去技改生产线，宁德和比亚迪都跟上游设备厂有很大的深入合作去做技术改造。

包括像中航锂电、蜂巢（蜂巢是长城汽车下面的动力电池事业部独立出来的公司），都做了非常多的改造，这些公司还能玩下半场，有些上市公司这块投入的资源和技术储备不够，可能两三年之内就会被淘汰，所以锂电池要买龙头。

燃料电池和电池逻辑完全不一样，燃料电池更像燃气供暖行业，典型的公司比如新奥燃气。通过不断的做项目，累积现金流，再去投新项目，收购新的项目来滚动。毕竟整个卡车的保有量才3600万，而不是乘用车的2.4亿，单靠一个环节是很难养活公司的。

为什么要有这个模式？氢能源有一个死亡谷，在规模没有达到一定的数量之前，整个商业链条都会亏损且现金流一直是负的。这个过程会多痛苦？美国能源署DOE估算年产10万台时才能实现与电车平价，中国现在才1000多台/年。由于死亡谷要靠国家补贴，而国家补贴是针对性落地的，且加氢站不可能大规模修建也需要针对性修建。

因此我们判断：未来氢燃料电池公司要活下来，也必须是一个个地方拿项目，建加氢站+装车。而且如果运营的不出问题，一个公司拿了一个地方，其他家就不太可能拿到。这意味着未来4~10年的补贴都被占据了，因此氢燃料电池的发展模式很类似燃气供暖公司。

这里举个典型例子美国氢燃料电池重卡公司Nikola，它的模式就是客户买车后不用管加氢，公司与合作伙伴修好加氢站，同时与物流公司合作（车也可以租赁），在物流公司两端的仓库设好加氢站，保证每一条线路跑下来客户算账足够经济的。

这种全链条总包的角色相当于所有商业化的亏损Nikola来背负，这些烧的钱又是其通过资本市场融资来支撑的，因此其号称是卡车届的Tesla。这个模式也非常具有美国特色，其实与国内地方政府大金额投资车企很类似，如合肥投资蔚来。

现在看，国内基本没有公司能做到Nikola这样。燃料电池的推动主要是电堆厂，主机厂只是一个代工方，但是国内燃料电池厂除了技术外，其他能力都较弱。虽然Nikola做的事看似简单其实很难，需要会技术研发、整车集成、开发终端客户、修加氢站。

2. 两者上游设备的投资机会

锂电池上游材料的集中性比较高。设备厂分前中后三段，各占433的比例。

前段设备集中度非常高，比如涂布机基本上在前端占75%，国产化率非常高，核心的涂布用的头要做到0.3 的精度，基本上就LG能做到，部分核心零部件还是要进口，但是整体产业链已经国产化，可以较好的配合电池厂进行研发，这部分更新较慢基本要6年。

中段设备是组装机，这是现在电池生产效率的主要瓶颈，也是升级最快的部分，国内基本4年全换。之前组装技术分成圆柱形的卷绕和方形的叠片，下一代的热复合堆叠技术其实可以吊打这两种，不但增加电池的循环使用寿命和能量密度，效率更高所以还降低成本。但一直碍于LG的专利没法普及，好消息是专利2020年2月已经到期，比亚迪立马推出的刀片电池就是基于这种技术。

后段是化成分容。锂电池做出来后，里面的化学材料需要经过一次充放电才能使材料形成钝化，需要有充电放电的设备，这个设备也会检测电压一致性，用一致性高的电池装车。这个地方也有一些公司做，就不具体说了，我们认为中端会有比较好的自研和提升的空间，不会像其他两个环节会有一些卡脖子的核心路线。

氢燃料电池的设备可以看下哪些环节是降低成本的关键。按DOE的估算，要降低成本的几个着手点在于：空气压缩机，双极板、整个系统设计和集成、空气加湿器、低铂或无铂技术等。燃料电池每个环节比较分散，且国产化程度还很低，基本上都还在国外。

最后share一个有意思的信息：特斯拉挖的人主要是博世和SAFT，以前做燃料电池和氢氟酸电池。

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