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10分鐘充滿電續航500KM?豐田將在今年推出全新固態電池

2021/2/18 12:44:59??????點擊:

       外媒(mei)近日爆料,豐田將在今年(nian)推出一(yi)款全(quan)(quan)新的固態電池,續(xu)航里(li)程500公里(li),可(ke)在10分鐘內從空電充至滿(man)電,充電速度接近傳統燃油車加油,并且(qie)安(an)全(quan)(quan)隱患極小。

       在固態電池因為年初的蔚來NIO Day而重新成為熱點話題之際,豐田的這個消息,再一次引起人們的強烈關注。因為,蔚來NIO Day發布的續航超(chao)1000公里的所謂“固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)”在被權威專家打(da)臉(lian)之后,后來被證實是半固(gu)態(tai)電(dian)池(chi),此時(shi)豐田(tian)被曝今年也要(yao)推(tui)出固(gu)態(tai)電(dian)池(chi),難免被人用放大鏡辨真(zhen)偽。按照豐田的(de)計劃,搭載這款固(gu)態電池的(de)原型車(che)2022年才會推出(chu),量產(chan)時(shi)間要到2025年前后,這比專家(jia)所提出(chu)的(de)量產(chan)時(shi)間節點——2030年,早(zao)了整整5年,是扯淡,還是大實話?

       這又回歸到(dao)(dao)本源問題(ti):到(dao)(dao)底是什(shen)么阻礙(ai)了被稱為下一代(dai)動力電池解(jie)決(jue)方案的(de)固(gu)態電池的(de)發展?固(gu)態電池要到(dao)(dao)什(shen)么時候才能真正(zheng)實現(xian)商業(ye)化(hua)應用?


       豐田的固態電池終于要來了

       對于汽車行業來說,固態電池并非新鮮事物,而是一個長期在攻克的下一代動力電池技術研發方向。日本最大公立研(yan)究(jiu)組織(zhi)——新能源(yuan)產業技(ji)術綜合開發機(ji)構(NEDO),在2008年發布的電(dian)池研(yan)發路線圖中就明確指出,要將固態電(dian)池作(zuo)為未來(lai)新一代電(dian)池的發展方向。工信部(bu)等(deng)四(si)部(bu)委2017年2月(yue)聯合發(fa)布的《促進(jin)汽車動力電池產業發(fa)展行動方案》,首次提出要重點推動固態電池等(deng)新體系動力電池的應用,力爭使單體電池能量密度在(zai)2020年和2025年分(fen)別達到400Wh/kg以(yi)上及(ji)500Wh/kg。

       從2012年開始,豐田、三菱、寶馬、大眾、現代、松下、三星、戴森等企業陸續開始研發固態電池,也發布過相關進展,但是,還沒有哪一家企業能夠推出真正意義上的固態電池。在(zai)2019年,固態電池(chi)將替(ti)代鋰電池(chi)成(cheng)(cheng)為下一代動力(li)電池(chi)解(jie)決方(fang)案的(de)(de)(de)相關話題(ti)曾經成(cheng)(cheng)為行業熱點,但在(zai)魔幻的(de)(de)(de)2020年,因為發(fa)生了太多(duo)匪夷所思的(de)(de)(de)事(shi)情,固態電池(chi)的(de)(de)(de)話題(ti)一度冷了下去。直到(dao)2021年(nian)開(kai)年(nian)不(bu)久,蔚來在NIO Day上推出了150千(qian)瓦(wa)時的固(gu)態電池包,并聲稱搭載該電池的首(shou)款車型(xing)續(xu)航里程(cheng)可達到(dao)1000km,預計(ji)2022年(nian)第一(yi)季度開(kai)始交付,固(gu)態電池又重新進入大眾視野。

       豐田、寶(bao)馬、大眾等傳統車企(qi)巨頭以及松下(xia)、三星等有(you)著豐富技(ji)術儲備的動(dong)力電池制造商都未能交出(chu)答卷的固態電池,反而被蔚來(lai)這個只有(you)數年造車史(shi)的新企(qi)業先做(zuo)出(chu)來(lai)了?

       很快就有專家站出來指責蔚來撒謊。國聯(lian)汽車動力電池研究院(yuan)董事長熊柏青說,“全固態(tai)電池現(xian)在(zai)距商業化(hua)還(huan)很(hen)遠,現(xian)在(zai)甚至(zhi)做個演示都(dou)還(huan)很(hen)困(kun)難。10年內(nei)完全攻克(ke)全固態(tai)難度挺大,反(fan)正至(zhi)少這(zhe)5年都(dou)沒(mei)戲。”

       蔚來創始人(ren)李斌也很實誠,很快就(jiu)公開回(hui)應稱他們(men)采(cai)用的并非全(quan)固態(tai)電(dian)池,電(dian)池內部還是(shi)帶有部分(fen)液體的。也就(jiu)是(shi)說,蔚來所謂的“固態(tai)電(dian)池”,其實是(shi)半固態(tai)電(dian)池。

       時隔不到一個月,有媒體曝出豐田將在今年內推出一款全新的固態電池,這又是個噱頭嗎?從(cong)目(mu)前(qian)公(gong)開(kai)的(de)信息來(lai)看,應該不(bu)是(shi)噱頭。因為豐田的(de)這款固(gu)態電(dian)(dian)池,不(bu)像蔚來(lai)張開(kai)就(jiu)是(shi)續(xu)航1000公(gong)里(li),而是(shi)只有(you)500公(gong)里(li)續(xu)航,但(dan)充(chong)(chong)電(dian)(dian)速度(du)很(hen)快,可在10分鐘(zhong)內(nei)將電(dian)(dian)量從(cong)空(kong)電(dian)(dian)充(chong)(chong)至滿電(dian)(dian),而且(qie)具有(you)極小(xiao)的(de)安全隱患。除了(le)續(xu)航不(bu)夠(gou)“駭人”,充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間(jian)和安全性(xing)都(dou)是(shi)固(gu)態電(dian)(dian)池該有(you)的(de)樣子。事實上,豐田的(de)固態電池并不像蔚來(lai)那樣突然(ran)出現,而是(shi)早有預告(gao)。日本車(che)企對固(gu)態(tai)電(dian)池的(de)(de)技術規劃及(ji)應用進度是最(zui)快的(de)(de),而豐田(tian)又是日本車(che)企中(zhong)的(de)(de)急先鋒(feng),早就已(yi)經對外展示(shi)(shi)了(le)處(chu)于試(shi)制階(jie)段的(de)(de)固(gu)態(tai)電(dian)池樣品,原(yuan)計(ji)劃是在2020年東京奧運會期間向公眾展示(shi)(shi)搭載(zai)硫化物固(gu)態(tai)電(dian)池的(de)(de)電(dian)動車(che)。但因為疫情原因,東京奧運會推遲一年舉行,豐田也就推遲到2021年推出固態電池,這個邏輯合情合理。

       固態電池商(shang)業化為何如此困(kun)難?

       如(ru)上所述,固(gu)態(tai)電池(chi)是新一代(dai)動力電池(chi)的發(fa)展方向(xiang),許(xu)多企業早已展開對固(gu)態(tai)電池(chi)的研究,為什么(me)專(zhuan)家們對固(gu)態(tai)電池(chi)的量(liang)產應用時間抱(bao)著這(zhe)么(me)悲觀的態(tai)度(du)——“5年(nian)內(nei)都沒戲,10年(nian)內(nei)完全攻克的難度(du)也很(hen)大(da)”?


       固(gu)態(tai)電池的技術難度(du)到底難在(zai)哪(na)里(li)?

       首(shou)先,我們要認識(shi)一(yi)下什么是(shi)固態電池,以及了解(jie)(jie)清楚(chu)固態電池為(wei)(wei)什么被(bei)認為(wei)(wei)是(shi)下一(yi)代(dai)動力(li)電池解(jie)(jie)決(jue)方案。

       目前,新能源汽車所使用的動力電池主要分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩大類,但這兩者都屬于液態電池,采用的是液態電解質。最近幾年新能源汽車進入高速增長期,尤其是在電動車標桿特斯拉的推動下,新能源汽車在2020年得到了爆發式增長,電動車所搭載的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的缺點都已完全暴露。三(san)元(yuan)鋰(li)電(dian)池雖然(ran)能量密(mi)度比(bi)較(jiao)高,輸出功率較(jiao)大,續航里程長,但安(an)全性(xing)差,三(san)元(yuan)材(cai)料會在200℃時發(fa)生(sheng)分解,在高溫作用下極易發(fa)生(sheng)燃(ran)燒或爆(bao)炸的現(xian)象。過去幾年里,國(guo)內就發(fa)生(sheng)許(xu)多(duo)起電(dian)動車自燃(ran)爆(bao)炸事(shi)故,引發(fa)許(xu)多(duo)消費者對(dui)電(dian)動車安(an)全性(xing)的擔憂。磷酸(suan)鐵鋰雖然安(an)全性高,壽命長,但能量(liang)密(mi)度遠遠比不上三元鋰電池,無法(fa)滿足(zu)消費者對續航里程要(yao)求(qiu)越(yue)來越(yue)高的需求(qiu)。與此(ci)同時,由于這(zhe)兩種(zhong)電(dian)(dian)池都(dou)采用(yong)液(ye)態電(dian)(dian)解質,都(dou)需要很長(chang)的充電(dian)(dian)時間,遠(yuan)遠(yuan)無法比(bi)擬燃油車(che)。

       固態電池,顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質的電池。這種電池體積小,能量密度高,而且因為固態電解質不可燃、不漏液,即使在高溫情況下也不會著火,非常安全。固態(tai)電(dian)池的技術路線有三條(tiao),包(bao)括聚合物(wu)電(dian)解(jie)質、氧化(hua)物(wu)電(dian)解(jie)質以(yi)及(ji)硫化(hua)物(wu)電(dian)解(jie)質,代表性企業分別是法國公(gong)司博洛(luo)雷(lei)(大(da)型工業集(ji)團)、英國公(gong)司Ilika(全球為數不多(duo)的從事(shi)固態(tai)電(dian)池設計和制造的獨立專業公(gong)司之(zhi)一(yi))、豐田(tian)。這三(san)條線路各有(you)優缺點,在電導(dao)率、能量密(mi)(mi)度(du)、成本(ben)價(jia)格和(he)(he)安全(quan)性(xing)能上的表(biao)現,各有(you)千秋。其(qi)中,硫化物(wu)(wu)(wu)的電導(dao)率和(he)(he)能量密(mi)(mi)度(du)最(zui)強,但成本(ben)最(zui)高、安全(quan)性(xing)最(zui)差;聚合物(wu)(wu)(wu)的成本(ben)最(zui)低(di)(di),但電導(dao)率和(he)(he)能量密(mi)(mi)度(du)最(zui)低(di)(di);氧化物(wu)(wu)(wu)的安全(quan)性(xing)最(zui)高,但電導(dao)率、能量密(mi)(mi)度(du)、成本(ben)表(biao)現都一(yi)般。


       固態電池的三種技術路線及優缺點

       聚合物全固態

       容易加工,可以制備大容量電芯、機械性較軟,各項性能和目前使用的電解液(本質是有機溶劑)有類似之處。工藝和現有的鋰電池比較接近,是最容易利用現有設備通過改造實現量產的固態電池。(1)離子電導率最低,必須加熱到60或85℃以上,離子電導率才會提升,車需要經常保持在充電和高溫狀態;(2)容易短路(聚合物較為柔軟,鋰枝晶容易穿透固態電解質造成短路);(3)能量密度有局限,由于聚合物是有機物,電化學穩定性不好,跟三元兼容性不好,導致能量密度無法提升。

       氧(yang)化物(wu)全固態

       導電率高于聚合物,氧化物的離子電導率可達到10-4~10-5 S/cm,通過摻雜能夠達到10-3 S/cm的級別,但不如液態電解液。典型的代表有鋰鑭鋯氧、LAGP、LATP這些氧化物材料。
(1)氧化物的機械性能堅硬,如果用其制作電解質片,較容易脆裂; (2)與正極活性材料的固-固接觸也不是太好,導致從面接觸變成點接觸,界面損耗過大。

       硫化(hua)物(wu)全固態

       硫化物接觸性好,所以整體的離子電導率性能非常好,是人類所發明的所有固態電池材料中唯一能超過液態電解液離子電導率水平的材料,也是全固態電池未來最可能的技術路線。產(chan)品成(cheng)本價格非常高,空氣穩(wen)定(ding)(ding)性較差。硫(liu)化物化學活性很強(qiang)(qiang),與空氣、有機溶劑、正負極活性材料反應(ying)都很強(qiang)(qiang)(尤其(qi)是與水(shui)接(jie)觸(chu)后直接(jie)產(chan)生H2S,H2S有毒有臭味),因此界面穩(wen)定(ding)(ding)性很差,導致生產(chan)、運輸、加工等(deng)環節都十分(fen)困難,限(xian)制了它的(de)廣泛(fan)應(ying)用。總體來說,無論是(shi)哪一(yi)條技術(shu)線路,都存在(zai)技術(shu)瓶頸和成本高(gao)昂的問題。技術方(fang)面,目前的固態電(dian)(dian)解(jie)質電(dian)(dian)阻(zu)(zu)太大,尚未(wei)找(zhao)到既能(neng)兼顧高倍(bei)率(lv)又能(neng)快充的物質做電(dian)(dian)解(jie)質,導電(dian)(dian)率(lv)、內(nei)阻(zu)(zu)界(jie)面阻(zu)(zu)抗及(ji)相容性也存在問題,這導致固態電(dian)(dian)池短時(shi)間內(nei)無法應用于(yu)市場(chang)。成(cheng)(cheng)本(ben)方(fang)面(mian),由于(yu)性能良好的(de)材料(liao)非(fei)常昂貴,這導致(zhi)固態(tai)電池的(de)成(cheng)(cheng)本(ben)遠高于(yu)三元鋰電池,家(jia)電巨(ju)頭戴(dai)森就因為固態(tai)電池成(cheng)(cheng)本(ben)太高而決定及(ji)時(shi)止損(sun)不再(zai)造車(che)。

       什么(me)時候(hou)才能真正實現量產?

       正是因為受技術和成本所掣肘,固態電池的大規模商業化落地非常困難,業界對實現這一目標時間節點的預測,如同全面實現L5級全自動駕駛應用一樣悲觀。那么,固態電池還(huan)要多久才能搭(da)載在量(liang)產(chan)車(che)身上?從車企和動(dong)力電池商的研發(fa)進展(zhan)來看,一(yi)些先(xian)頭部(bu)隊可能在2021/2022年(nian)進入(ru)試(shi)制或投入(ru)市場(chang)階段,2025年(nian)左右實現量(liang)產。

       2020年年底,美國電池技術公司SolidPower、研發固態電池的初創公司QuantumScape以及豐田汽車紛紛宣布在固態電池領域取得新突破。與寶馬(ma)、福(fu)特(te)合作的SolidPower宣(xuan)布已經(jing)生(sheng)產和交(jiao)付其(qi)第一代2Ah全固態電池,能量密度達320Wh/kg,準備(bei)2021年投放市場,2026年應用于汽車領域(yu)。大(da)眾汽車所控(kong)股的(de)QuantumScape所研發的(de)固(gu)態電池(chi),能(neng)提供380至500wh/kg的(de)能(neng)量(liang)(liang)(liang)(當前(qian)特斯拉(la)電池(chi)能(neng)量(liang)(liang)(liang)大(da)約是260wh/kg),計劃2025年建立固(gu)態電池(chi)量(liang)(liang)(liang)產生產線。而豐田搭(da)載固(gu)態電池(chi)的原型車將(jiang)在2022年才會推(tui)出,量產時間則要等到2025年前后。

       另(ling)外,現代(dai)汽(qi)車投(tou)資的(de)(de)美國初創企業(ye)Ionic Materials,計(ji)劃在2025年(nian)實現應用固(gu)態電(dian)池電(dian)動車的(de)(de)量產。國內的(de)(de)長城汽(qi)車計(ji)劃在2025年(nian)量產能量密度(du)達350~500Wh/kg的(de)(de)固(gu)態電(dian)池,北(bei)汽(qi)集團(tuan)2025年(nian)前上市的(de)(de)新(xin)車有望(wang)搭載400Wh/kg的(de)(de)固(gu)態電(dian)池。

       從這些企業的布局來看,2025年是一個重要節點,固態電池要到這一年前后才開始逐步進入商業化階段。但(dan)2025年只是剛剛開始量產,也就是說,這是個試水(shui)市場的(de)初級階段(duan),真正實現成(cheng)熟的(de)商業化應用還需更長時(shi)間。在(zai)1月份的(de)中國(guo)電動車百人會(hui)論壇上(shang)(shang)公開懟“1000km續(xu)航”的(de)中國(guo)科學院(yuan)院(yuan)士、中國(guo)電動汽車百人會(hui)副理事長歐陽明高(gao)認為,以目(mu)前的(de)技術進展,全固(gu)態電池還需要十年(nian)以上(shang)(shang)的(de)時間才能夠在(zai)技術和制造(zao)工藝上(shang)(shang)達到量產的(de)條件(jian)。“當(dang)然,這是在(zai)沒有意料之外的(de)巨(ju)大科學突破的(de)情況下。”在他看(kan)來,全固態電池預計要到2030年(nian)才(cai)有條件實現量產。雖然也有部分專家(jia)樂觀認(ren)(ren)為2025年能夠(gou)實現量產,比如(ru)合肥國軒(xuan)高科工程研究總院常(chang)務(wu)副院長徐興認(ren)(ren)為“固(gu)態電池(chi)真正的大規模(mo)應(ying)用預計要到2025年”,但是否屬于真正的全固(gu)態電池(chi)(也可(ke)能是蔚來那樣的半固(gu)態電池(chi)或(huo)準(zhun)固(gu)態電池(chi)),應(ying)用規模(mo)具體(ti)有多大,都(dou)要打個大問號。

       眼下可以(yi)確(que)定的是,豐(feng)田即將推(tui)出的固態電(dian)池(chi)雖然(ran)推(tui)動行業(ye)(ye)技術向前邁(mai)進(jin)了一(yi)小(xiao)步,但距(ju)離終極目標——大規劃商業(ye)(ye)化應(ying)用,還有很長的路要走(zou)。

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