锂电网讯：我国高度重视新能源汽车的发展，将新能源汽车作为重点扶持的战略型新兴产业。在此种政策引导下，新能源车发展迅猛。据中国汽车工业协会统计，2017年新能源汽车（包括纯电动乘用车、纯电动商用车、插电式混合动力乘用车、插电式混合动力商用车四类，亦可统称电动车）销售市场持续保持较快增长态势，全年累计销量77.7万辆，较2016年增加了27.0万辆，增速达53.3%。中国新能源汽车的年产量已位居世界第一。
新能源车的发展态势和若干认识误区
国家对新能源车的产业补贴始于2009年，其后陆续出台大幅度政策支持，例如，在北京购买新能源车不用摇号，在上海购买新能源车不用拍牌照，还能获得国家和地方两级政府的现金补贴等。随着新能源汽车销量走高，政府就新能源车的补贴支出也越来越高，2016年补贴资金高达258亿。政府2017年开始收紧补贴范围并下调补贴金额，此后新能源车是否能继续依靠补贴发展，能补贴多久、补贴哪些，将影响到新能源车产业的内部调整。
关于新能源车的一些论调虽然积极，但部分观点仍存在争议。最受热议的一个论调是新能源汽车被寄予厚望要成为赶超西方汽车工业的突破点，所谓实现“弯道超车”。但事实上，“弯道超车”首先要基于技术有效、产业发展潜力巨大，并不是在什么道上都要超。回顾上世纪90年油价居高不下之时，美、欧、日等诸国相继投入大量经费研发电动车电池，但至今仍未商业化。考虑到这些国家的产业研发都有资本家投入巨额资金，而资本家的趋利本性决定了他们发现好的市场苗头会继续追加资本投入。这些国家相继放弃电动车作为国家战略，这一事实发人深思。
新能源车也占据了环保的道德高地。不断有论述称，使用电池可以减少汽车尾气排放，改善城市空气质量。然而这些论述同样经不起推敲。虽然新能源车用电的现场污染物排放量较少，但产电阶段涉及较大量的污染物排放，且目前中国新能源车的产电大多数是燃煤产生。电池回收不利造成严重的环境污染还不在此论述中，将在下文展开。
2017年底，德国将在2030年全面禁售燃油汽车的消息在网上传得沸沸扬扬[3]。工信部官员在行业论坛上表示，工业部也启动了相关研究，将协同相关部门制定我国的时间表[4]。此言引发热议。这一表态似乎预示着这种可能性：新能源车将最终一家独大，成为汽车领域唯一通用车型，而燃油车则是落后的、将被历史淘汰的。如此政策导向，倘若属实，势必将影响中国汽车工业的整体布局与发展方向。然而，据考证，德国2030年全面禁售燃油汽车的禁令并不属实，事实上是德国参议院通过的“倡议书”，不具备法律效力[5]，随后德国交通运输部长立即否认了该项禁令的可行性，认为是“无稽之谈”。交通部长不通过的禁令，在国会不可能通过，故全面禁售燃油汽车是众多提议中的一纸空文而已。至于中国禁售燃油汽车的相关研究，则情况更为复杂，更不能受虚假消息误导而盲目跟风。
据国家能源局官员在2017第二届中国电动汽车充换电服务创新高峰论坛表示，2020年我国新能源汽车总量规划达到500万辆，2030年将达到8000万辆。这样的新能源车发展目标，将带来的诸方压力——无论是成本上的、环境上的，还是用电上的，都需要纳入评估范围。
支持新能源车的诸多言论，显示出推动新能源车迅猛发展的强烈意愿，但事关中国汽车产业整体发展与布局的决策，有必要将分析扎根于更客观具体、符合科学规律的论据之上。本文将结合在清洁能源领域的长期研究，从电池能量密度、电池生产成本、电池环境污染三方面论述发展新能源车存在的瓶颈和风险，以资参考。
新能源车发展的瓶颈与风险分析
法国人普兰特于1859年发明了铅酸电池，甚至比内燃机的发明时间（1880年前后）还要早。尽管近百年来，全球在各类电池的研发上投入了数千亿美元的巨资，但在技术上和电池的性价比上并没有革命性的突破，比如铅酸电池的体积能量密度仍只有100kWh/m3左右（如图1及表1所示，部分数据源自文献[6]）。目前，内燃机汽车里用的蓄电池大部分仍然是铅酸电池。目前即使是进口的高级轿车，其蓄电池也仍然大多用传统的蓄电池；这说明新一代电池的性价比仍然无法与传统的蓄电池竞争。
注：锂电池的模块与单体相比，质量能量密度与体积能量密度均有一定程度的减损；整车应用关注的是锂电池模块的能量密度。根据已有行业数据，目前锂电池模块的密度值在1~2kg/L范围，由此可基本确定锂电池模块的质量能量密度与体积能量密度的相互关系。
从上表看到，尽管人类在近百年来都一直在开发新的电池，但花了千亿美元以上的研发费用，目前最好的电池在体积能量密度上与传统的铅酸电池相比并没有革命性的突破。事实上，有了铅酸电池和电动机后人类就等于已经发明了电动车，但为何铅酸电池和电动机发明了这么多年，人类仍然用内燃机汽车而没有大规模使用电动车，其原因何在？经研究总结如下。
（1）动力电池能量密度瓶颈长期难以突破，与化石能源差距大
动力电池能量密度指的是一定空间或质量物质中储存能量的大小，是新能源车发展中的技术重点，直接关系到电动车的性能和续航里程。现代汽车的结构设计比较固定，留给电池组的空间有限，电池数量被限制在某个区间内无法大幅提升，因此增加电量的关键在于提高电池能量密度。2017年2月四部门联合发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出“力争实现单体350Wh/kg、系统260Wh/kg的新型锂离子产品产业化和整车应用”的发展目标，显示出攻关提高动力电池能源密度的愿望。
然而制约性现实是，电动汽车所用的锂电池属于化学能，能量密度存在天花板。目前制约锂离子电池发展的主要因素是正极材料的能量密度，然而大多数正极材料都含有过渡金属元素，其摩尔质量较大，能量密度提高受限[7]。提高电池电压也可提高能量密度，但目前所使用的电解液在高电压下使用将面临分解，也难以操作。再加上能够满足锂离子电池诸多要求的材料极其有限，在不改变电池体系的情况下，锂离子电池能量密度很难继续提高。
电池能量密度在历史上一直是攻关难点且进展缓慢。自1992年索尼将锂离子电池商业化后，锂离子电池已经发展了近三十年，在能量密度方面虽有进步，但总体进步幅度不大。2017年能量密度领先的圆柱形电池达到150Wh/kg，比2012年的120Wh/kg有小幅提升，而软包和方壳电池的能量密度目前还在110-130Wh/kg左右。技术上领先的特斯拉采用的松下18650钴酸锂电池，能量密度也只达到233Wh/kg。
在过去五到十年内，在全球各大公司投入大量资源和大笔研究经费的情况下，锂电池能量密度的提升幅度仍然只有几十Wh/kg，能量密度最高达到230Wh/kg左右，这相比于汽油柴油的能量密度11000-12000Wh/kg，量级相差悬殊（详见表1）。尽管人类花了几十年和上千亿美元研发电池技术，但迄今电动车的动力系统（电池+电动机）的能量密度迄今仍然远远低于内燃机的动力系统（汽柴油+内燃机），可差20~30倍。由图1可见，即使终极电池获得成功应用并能将生产成本降下来，其体积能量密度也只有汽柴油的1/8左右。电池能量密度在未来十年内是否可能实现大幅突破，受制于技术研发的内部规律，非仅凭主观意愿可以达到，不宜盲目乐观。
（2）受限于锂、钴、镍的稀缺性，新能源车成本可能随产量增加而大幅攀升
内燃机的规模经济性远好于电池。人类的第一条流水生产线是福特的汽车生产线。内燃机作为汽车的心脏，一旦已获知其设计制造方法，其生产成本主要体现为铸铁及铝合金等材料成本。福特研发出的内燃机生产流水线，大大提高了规模效益，使得汽油机随着产量的增大而成本大幅降低。尽管生产第一台样机时投入较大，可一旦技术成熟到量产阶段，当一条生产线年产一百万台内燃机时，每台内燃机的成本可以降低至2000美元左右。
相比于内燃机会随着量产而降低成本，新能源车却很可能呈现相反的趋势。新能源车的生产成本中，电池驱动系统占了汽车成本的30-45%，其中动力电池又占了驱动系统75-85%的成本构成，成本尤高的是电池中用到的锂、钴、镍等稀缺金属。一台新能源车的动力电池，要使用几十千克的锂、钴、镍等原材料，生产1万台和生产10万台，每台车的成本下降幅度有限。锂、钴、镍在地壳内储量中占比很低，钴仅占0.004%左右，锂占0.003%左右，属于重要战略资源。目前我国80%的钴以及70%的锂、镍资源都依赖进口[10]。我国钴产量不到几千吨，使用量却达几万吨，大量依靠从非洲民主刚果等国进口，持续处于供不应求状态。过去两年钴、锂矿大幅涨价，比亚迪(42.500, -2.02, -4.54%)公司布局全产业链争买锂矿，已经显示出动力电池增产可能给锂矿资源带来的挑战。
现阶段新能源汽车占我国机动车的比例还相对比较小，我国新能源车2016年产量为51.6万辆，2017年增加至79.4万辆，仅分别约占我国目前汽车年产量2900万辆的1.8%和2.7%。2017年新能源车产量相比2016年仅有27.8万辆的增加，但2016年初至今的两年多时期内，国际钴价格翻到了约4倍水平（如图2所示）[11]、锂价格上涨了近1倍。美国保持为电动车第二大市场，电动汽车销售数量从2016年的16万辆增长到2017年销售的仅28万辆[12]，在汽车总销售量中所占比例非常小。假设中国产量翻几番，按预期2020年达到500万辆，相当于翻到了7倍；全球范围IEA估计到2020年，全球电动车总量可能翻三倍，达到1300万辆[12]。暂且不论原材料需求是否能完全满足，即便能满足，对锂、钴等重金属元素的大量需求带来成本的飞涨，可能将电动车生产成本推高到难以承受的范围[13]；除非有革命性的新技术突破。
伦敦金属交易所钴价格走势图（2016.01 – 2018.05）
因此在短期之内，如没有重大的革命性的技术突破，用电动车在可见的未来完全取代内燃机汽车是缺乏依据的。尽管技术的突破又可能发生，但在未发生之前，不能盲目乐观。促进技术革命的一条重要途径是加大研发支持力度，而产业补贴很可能与促进技术革命的初衷背道而驰。
（3）新能源车带来的严峻环境污染挑战和电池回收难题
电动车的一大卖点是在使用的地方局部排放少，这对其用于人口密集的市区里跑的出租车、公共汽车，有其优越性。但中国电网里的电目前是67%靠煤，即使在2050年，中国仍然有50%的电靠煤来发；那么表面是我们是用电开车，实际上我们目前主要是用煤开车。加上电池在生产过程和未来回收的碳排放，电动车的碳排放量及污染物排放量与今天的燃油车相比，是增加了而不是减少了。根据全生命周期分析[14]，在全球增温潜能影响方面，电动汽车的负面影响比汽油发动机汽车低24%，比柴油发动机汽车低10%-14%。但如果考虑到电动汽车所使用的电力来源，情况就不同了：2017年煤电占全国发电量的67%，电动汽车使用煤电为主的电力，其对环境的负面影响甚至高出柴油发动机和汽油发动机17%-27%。根据清华大学研究团队于2017年发表在国际著名期刊《应用能源》上的研究成果显示，中国的新能源汽车在其生产制造过程，所产生的温室气体排放量实际上比内燃机汽车高出50%[15]。
电动汽车电池的生产也耗费了大量的电力：初期制造一辆电动汽车和电池的碳排放量占到了电动汽车整个使用周期碳排放量的40%左右，相当于制造一辆汽油发动机汽车碳排放量的两倍。
更严峻的环境污染挑战或许还来自新能源车报废电池带来的污染。与我国规模庞大的动力电池市场相伴随的是动力电池报废量的快速增长。电动汽车动力电池的使用寿命通常为5-8年，从2017年起我国将迎来首批动力电池退役潮。据统计：到2020年，我国动力锂电池的报废量将达32.2GWh，约50万吨；到2023年，报废量将达到101GWh，约120万吨[16]。
动力电池中所含的镍、钴、锰等重金属，以及电解液、含氟有机物都是重污染物。例如，钴金属是一种高致癌毒物，人接触钴金属可能导致肺、神经和呼吸道病变；动力电池电解液中的六氟磷酸锂在空气环境中容易水解产生五氟化磷、氟化氢等有害物质，对人体、动植物有强烈腐蚀作用；废旧动力电池中还含有300-1000V不等的高压，在回收、拆解、处理过程中操作不当可能带来起火爆炸、重金属污染、有机物废气排放等多种问题。
国家意识到电池回收的重要性，2016年国家发改委牵头制定了《新能源汽车动力蓄电池回收利用技术政策》，2017年国标委发布了国家标准《车用动力电池回收利用拆解技术规范》，但是，这些政策和技术标准作为指导文件，对于经营规范的骨干企业有参考作用，对于不法贸易商来说则缺乏约束效力。我国动力电池行业在回收方面面临的主要挑战包括：我国在电池回收技术方面较为薄弱，没有形成产业化供应链；国内汽车生产企业使用的电池多样，每家电池企业的技术标准不统一，再利用前检测难度较大；电池回收方主要以小作坊为主，工艺水平不健全，较难保证安全回收；没有经营许可的企业非法从事废旧动力电池回收，更会带来安全和环保隐患。
电池中的重金属能够诱使人们回收电池吗？事实是，虽然锂、镍、钴等元素价格很高，但要完成整套回收获取这些金属的收益，其成本高过开掘新矿——这势必会带来电池回收动力缺乏。如不回收，当几百万个剧毒的废旧电池分布在中国各地，当这些剧毒品泄露后，对土壤及地下水的污染将是环境的灾难。
伴随新能源汽车高速发展产生的大量动力电池报废，以及其背后的回收难题、污染威胁，实际已迫在眉睫。
还需关注其他技术与市场因素
除以上电池能量密度、材料资源、环保因素，还需要关注以下几点与新能源车发展相关的技术与市场因素。
1、液体燃料的优势
除汽柴油的能量密度远高于电池（见表1及表2）外，液体燃料的储运远比气体能源（如天然气）和固体能源（如电池或煤）方便易行。液体燃料在陆上可以管路输送，在海上可以通过邮轮大规模低成本输运。1加仑（合3.78L）汽柴油从休斯顿运到欧洲，其运输成本不到零售价的1%。这也是人类选择“液体燃料+内燃机”的主要原因之一。
液体燃料的加注设施已非常普遍而且加注用时短。相比而言，电动汽车在相当长时期内，充电难和充电慢问题预期均无法得到有效解决。除少数一线大城市的充电设施配套政策与财力支持相对到位，在全国范围内建设充电基础设施的投资需求量巨大，资金缺口也大，在规划布局、施工和用电等方面面临诸多挑战；社会公共充电设施、社区内充电设施建设均面临利益主体多而分散、难以统一协调的难题，各方面因素导致充电设施不足，充电难。同时，充电慢的问题导致纯电动汽车的实用性和便利性受到明显限制；以220V交流充电桩为例，在电池容量20 kWh左右的情况下，一辆车要5-8小时才能够充满电。
2、页岩气革命改变了世界能源的格局
页岩气革命是数十年能源领域最大的突破，彻底改变了十余年前由于油气价格飞涨带给全球的恐慌。当油价在140美元/桶、天然气价格高达17美元/百万英热值（约合0.56美元/立方米）时，人们普遍感到这个世界上油气资源快要耗完的恐慌。在气候变暖和油气即将耗完两大推手下，全球各种新能源技术尤其是各种新能源汽车研发在1995-2015年这大约20年内风起云涌，各国都投巨资开发新能源汽车。但页岩气革命的到来，让世界突然发现有200年用不完的廉价天然气，美国的天然气价格从最高约17美元/百万英热值一路狂降到1.5美元/百万英热值，目前平衡到2.5美元/百万英热值左右；同样由于页岩气页岩油革命，世界上又不断发现大油田。仅美国德州一个二叠纪大油田的石油产量相当于全中国的石油产量，产油成本只有约16美元/桶。另外，在奥巴马担任美国总统时期，中美联手推动巴黎气候协议的签署；但特朗普一上台，全面否认气候变暖。这些近年来发展电动车的多项基本前提假设，已发生了重大的改变，因此也要求我们在国内外能源的大变局下重新审视我们新能源尤其是新能源汽车的战略。
3、内燃机技术的进步
内燃机技术尤其是欧洲的柴油机技术近年来突飞猛进。美日的汽油小轿车全部考虑在内，目前的平均里程是32英里/加仑汽油（合13.6公里/升）；而欧洲的新型柴油轿车其里程数可高达80英里/加仑柴油（合34公里/升）。欧洲的燃料税很高，导致燃油成本高昂，一辆轿车跑10年下来，其油钱远高于汽车本身。因此，欧洲的消费者非常重视汽车的燃油经济性。因柴油车效率高，目前欧洲市场一半的新车是柴油车（石油炼制只能产约一半的柴油产品，另一半汽油产品仍依赖汽油车使用）。现代先进的柴油机不仅其燃油效率大大提高，远好于汽油机，而且其污染排放（NOx、PM、HC等）和噪音水准也完全可以和最好的汽油机媲美。
此外，甲醇取代柴油在柴油机（高压缩比内燃机）里燃烧的技术已取得了相当的突破，产业化前景良好。甲醇不仅比柴油便宜，而且因甲醇不含硫、燃烧过程无SOx排放、NOx排放远低于柴油等有利因素，可使得内燃机尾气排放会更干净、尾气处理系统成本可以大幅度降低，甲醇将成为非常理想的发动机清洁燃料。天然气制甲醇的技术非常成熟，制甲醇过程的主要成本是天然气原料成本，因此可由页岩气革命带来的天量廉价天然气大规模地制得低成本的甲醇；同时，甲醇可以用低成本的煤来大规模清洁化制备。由此，无论从近期还是中长期来看，甲醇燃料的大规模低成本供应是有保障的。由此可知，研发新型的甲醇基燃料的内燃机，可以让我们不仅享受欧洲柴油机技术革命带来的红利，还可以享受页岩气革命带来的红利。这条路不失为今后汽车的选择之一，其成本将远小于电动车。
内燃机技术尤其是欧洲的柴油机技术在近二三十年内获得了革命性突破和发展，在交通运输动力主要依赖油气资源的很长一段时间内，将为人类提供高效、清洁的燃油车解决方案；对比观察同期内的电动车技术领域，已投入了大量的人力、研发资金与产业补贴，其进步比较有限，仍存在动力电池能量密度受限、制造成本高及伴生环境污染等亟待解决的问题，其产业化及行业可持续发展存在瓶颈。
众所周知，应把电动车与现有内燃机技术进行比照，而不是与二三十年前的传统内燃机技术对比，不能忽视近些年来内燃机技术领域的革命性发展。电动车将是未来汽车的选项之一，在出租车、公共汽车等人口密集的地方有它的优势，但说电池在可见的未来，完全取代内燃机，还有些太乐观；尤其是在越野车、卡车、飞机、轮船等应用领域，不可能在可见的未来被电池取代。反而，如果能在先进的高压缩比内燃机里燃烧清洁、低成本、可由非常规天然气批量制备的甲醇，其排放将可在目前欧洲的排放标准下进一步显著降低。
以上几大类瓶颈因素及挑战，均是电动车产业发展所必须谨慎考虑和想办法解决的，仅通过政府补贴是很难扭转的。研讨及制定电动车的发展战略，需要充分了解新能源车与内燃机车两大类技术的历史和现状。国家为发展新能源车给出大额产业补贴，在推动新能源车产业急速壮大的积极面以外，可能带来扭曲市场供需、推高新能源车价格的负面后果，不利于新能源车的长远发展。
我们认为，新能源车作为未来汽车发展方向之一是值得鼓励的，在技术研发上也值得投入，但没有必要做政策力推和大幅度产业补贴。靠政府确认技术的方式可能导致市场的扭曲，因供需不平衡而带来成本攀升，反而不利于行业健康发展。中国的新能源汽车产业不宜靠着国家的支持来拼烧，而忽视技术上的、成本上的、环境上的诸多客观条件的限制。
液体燃料的加注设施已非常普遍而且加注用时短。相比而言，电动汽车在相当长时期内，充电难和充电慢问题预期均无法得到有效解决。除少数一线大城市的充电设施配套政策与财力支持相对到位，在全国范围内建设充电基础设施的投资需求量巨大，资金缺口也大，在规划布局、施工和用电等方面面临诸多挑战；社会公共充电设施、社区内充电设施建设均面临利益主体多而分散、难以统一协调的难题，各方面因素导致充电设施不足，充电难。同时，充电慢的问题导致纯电动汽车的实用性和便利性受到明显限制。
需要强调的是，本文是在对迄今已公开发表的成果进行综合分析而得出的结论。作者一贯支持国家加大对新能源汽车相关技术研发的投入，因为技术的革命性突破无法预测，可能是一年，可能是十年，某些方向也可能永远没有突破。如果突然有革命性的成果出现，也可能改变本文的结论，但只有这种突破发生后，我们才能进行分析；而不是预测什么时候技术会有革命性突破。产业补贴不会产生技术革命，只有加大研发力度，技术革命才有可能产生。产业政策在技术革命发生后才能制定，而不是期望产业补贴产生技术革命。
新能源车在人口密集的城市作为出租车、公共汽车等有其优势；如果没有革命性的技术突破，电动车很难在可见的未来成为主流；因此，本文建议加大包括电动汽车、燃料电池汽车及甲醇车等多种汽车技术的研发，但在技术发明没有突破之前，产业补贴要谨慎。在公平市场竞争环境下让有市场竞争力的技术胜出，更利于行业长期健康发展。
影响新能源车续航能力的动力电池能量密度存在多年未突破的技术天花板；制造动力电池所须的锂、钴、镍等金属大量依靠进口，新能源车产量飙升带来上述金属材料价格近期的大幅攀升，导致电池成本急速上升；新能源车虽然用电看似清洁，但产电过程涉及大量煤炭燃烧，全生命周期碳排放量不容小觑；更有甚者，报废电池中的锂金属、钴金属、工业溶剂都会导致严重环境污染，回收技术和制度保障困难重重。
从技术、成本、环保这三方面来看，新能源车是否值得持续扩大生产，乃至成为汽车产业主导方向，还需要谨慎的思考决策。新能源车在人口密集的城市作为出租车、公共汽车等有其优势；如果没有革命性的技术突破，电动车很难在可见的未来成为主流；因此，本文建议加大包括电动汽车、燃料电池汽车及甲醇车等多种汽车技术的研发，但在技术发明没有突破之前，产业补贴要谨慎。在公平市场竞争环境下让有市场竞争力的技术胜出，更利于行业长期健康发展。
解决石油供应不足与机动车尾气污染问题的一条战略发展可行路径是：第一步，实现高效的内燃机技术和清洁醇醚燃料的结合，增加此类车的份额；第二步，逐渐增加混合动力车的份额；几十年后，如电池技术确实有革命性的进步，逐渐过渡到纯电动车。
作者/刘科、吴昌宁
刘科简介：南方科技大学清洁能源研究院院长、创新创业学院执行院长、澳大利亚国家工程院外籍院士；曾任美国通用电气全球研发中心气化平台负责人、首席科学家，北京低碳清洁能源研究所副所长兼首席技术官，神华研究院副院长，国家千人计划联谊会化学化工专委会主任，现任国家千人计划联谊会副会长，中国与全球化智库常务理事兼副主任。
