近日,丰田汽车面向媒体公开举办了一场技术说明会,公布了其“支撑2030年全球纯电销量达到350万台的次世代电池技术”。其中,丰田明确表示,2027-2028年投入实际应用“全固态电池”。


【资料图】

众所周知,固态电池一直被视为下一代动力电池。然而,近年来固态电池却迟迟不见上车,规模化量产始终“只闻其声,不见其人”。丰田的发声,让趋于平静的固态电池市场激起一层涟漪,也让我们看到新的可能。

为何死磕全固态电池?丰田方面表示,已经找到了很好的材料,能够在2027年至2028年实现该技术的商业化,向市场投放配备全固态电池的纯电动汽车。

在纯电动汽车市场进入厮杀的白热化阶段,丰田却躬身于面向未来的全固态电池路线。电动化步伐本就缓慢的丰田,远水能否救得了近火?

丰田继续“押宝”固态电池

2021年之时,丰田就表示“全固态电池的导入将从HEV车型开始”,通过重新评估后明确表示,全固态电池将搭载到BEV车型上,并挑战于2027~28年投入实际应用。

对于全固态电池的攻关,丰田始终没有停歇。

丰田最早提出相关动态是在2008年,与固态电池初创企业Ilika展开合作。

2014年,丰田宣布其正在进行固态电池开发工作,并且拥有多项技术专利。2017年,丰田宣布与松下携手,表示双方将在固态电池研发方面进行长期且深入的合作。

2020年,丰田原计划在东京奥运会展示固态电池研发成果。不过,由于受疫情影响,不得不将计划推迟到2021年。尽管如此,丰田对外宣称,已经制造出固态电池的样品,且安装到概念车上,并希望成为全球首家量产搭载固态电池汽车的厂商,计划于2021年推出原型车,2025年左右开始量产。

从横向对比来看,丰田是业内公认在固态电池领域最有实力的玩家之一。丰田在全固态电池领域一直坚持硫化物路线,已经拥有超过 1000 件专利。尽管如此,此前丰田在固态电池领域的研究并不顺利,在固态电池的量产时间上一次次“跳票”。

如今,丰田固态电池又将量产时间推迟到2027-2028年。首先,可见固态电池研发难度之大;其次,也看出丰田对固态电池的执著,始终不曾放弃这条路线。

当然,这也与日本政府对固态电池的大力支持有关。资料显示,日本押注硫化物路线,研发布局最早,技术和专利全球领先,政府资金扶持力度超2千亿日元(约100亿元人民币),力争2030年实现全固态电池商业化,能量密度目标500Wh/kg。

瞄准动力电池能量密度、安全以及充电难题等多重痛点,以及在日本政府的大力支持之下,丰田始终押宝全固态电池。

固态电池从热闹到平静

固态电池也一度被视为资本市场的宠儿。

2020年11月,一支“妖股”震惊全球。这支股票叫做QuantumScape(QS.US)。这是一家专注于固态电池技术的初创企业。2020年11月,QuantumScape通过收购壳公司上市,最初估值只有33亿美元。

上市之后,QuantumScape股价一路狂奔,市值一度冲上477亿美元,超越众多车企。不过,这支“妖股”不久之后又喷泻而下。如今,QuantumScape总市值仅为33亿美元,一切似乎又回到了原点。

从近几年资本市场的变化,可以看到业界对固态电池技术路线的期许,也有对新技术量产可能性的疑虑。甚至有投行人士认为,固态电池的商业化仍然有很长的路要走,而且充满了投机性。

锂电池是打开电动车时代大门的钥匙。

2008年锂电池应用于新能源汽车以来,动力电池的能量密度已经由最初的100Wh/kg提高到250Wh/kg。从现有的动力电池技术方案来看,行业内始终在安全与续航之间寻找平衡。依照目前技术水平,提升能量密度,而不牺牲电池安全性,并不是一件容易的事。

《汽车产业中长期发展规划》中明确指出,2025年动力电池单体能量密度要达到350Wh/kg。按照部分动力电池供应商的推测,依靠现有电池产业体系,实现2025年产业发展中长期目标难度较大。

固态电池也就成为电池领域的重要选项。将液态电解质替换为固态电解质,有望大大降低电池热失控的风险。辉能科技之前向盖世汽车提供了一组数据,其固态电池包系统能量密度可达480Wh/L,有望使车辆续航里程接近1200km,快充状态下,12分钟便可充满80%左右的电量。

液态电池中,有机溶剂具有易燃性,且抗氧化性较差,目前已接近能量密度上限。锂离子电池目前基本采取液态电解质,但液态电解质中,有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性,同时抗氧化性较差、无法解决锂枝晶问题。预计理论能量密度上限为300Wh/kg。

固态电池大幅提升电池安全,打破液态电池能量密度瓶颈。固态电池采用固态电解质,部分或全部替代液态电解质,可大幅提升电池的安全性、能量密度,是现有材料体系长期潜在技术方向。可见,车企计划采用固态电池,是以安全性为短期驱动因素,而以能量密度为长期驱动因素。

南方科技大学清洁能源研究院院长刘科就指出,从能量密度角度来看,再过20年电动车也比不过油车。从另一个角度来分析,新能源汽车能形成对燃油车的压倒性优势的关键节点,或许就与固态电池的大规模量产有关,充分解决能量密度、充电速度、里程焦虑以及安全性等短板。

然而,固态电池面临的状态却是 “只听楼梯响,不见人下来”。从技术发展角度来看,固态电池的未来很美好。但是从商业化的角度来看,固态电池却始终在成本与制造的桎梏中无法两全。

上汽集团副总工程师、上汽捷能汽车技术有限公司总经理朱军就曾直言,整车企业将电池的安全放在第一位,然后是电池的寿命与可靠性,以及成本。“不过最后我们计算的还是成本。全固态电池能量密度再高,主流的电动汽车看重的还是成本。如果固态电池可以助力车企降低成本,那么应该很快就能商用。”

有数据显示,固态电池成本高于液态电池,主要体现在固态电解质和正负极。固态电解质用到的部分稀有金属原材料价格较高,比如,氧化物电解质含锆、硫化物电解质含锗,铜锂复合带价格1万元/kg。此外,全固态对生产工艺、成本和质量控制也提出了更严苛的要求,生产设备替换率大,全固态电池成明显高于现有液态电池。

对于固态电池的态度,宁德时代董事长曾毓群也曾直言不讳,“固态电池有很多科学及技术的基础问题尚未解决,我们公司深耕10多年,始终认为目前难以形成有技术可行性和市场竞争力的产品。”

丰田策略:下一代电池一决高下

对于技术路线充满执著精神的丰田或许并不这样认为,针对全固态电池的研发依旧如火如荼。在技术说明会上,丰田公布了全固态电池“新技术”的发现。

全固态电池经常被称为“BEV游戏规则改写者”。全固态电池的电解质为固体,离子运动速度更快,对高压、高温具备更强的耐受力。能够带来稳定的高功率、增加续航里程以及进一步缩短充电时间。

此前,全固态电池寿命较短是核心课题。固体电解质随着电池的充放电反复膨胀和收缩,可能会引发龟裂,导致锂离子在正负极之间的流动会变得困难。本次,丰田正式公布,已经发现了克服这一课题的新技术。今后,在核算成本后,将全面进入面向量产研发的阶段。

当然,具体是怎样的新技术,丰田并未向外界透露太多。但是,我们可以感受到丰田在固态电池技术上的先进性。

这似乎也是丰田野心暴露的重要依据。在锂离子电池方面难以与中国企业直面竞争,在全固态电池上一决高下,或许正是丰田的图谋。

有机构预测,固态电池技术发展和应用预计将呈现梯次渗透趋势。我们预计液态电池到固态电池的技术迭代路径大致遵循“固态电解质-新型负极-新型正极”顺序。

阶段一:引入固态电解质,保留少量电解液,正负极仍为三元+石墨/硅负极,并采用负极预锂化等技术提高能量密度;阶段二:用固态电解质逐步至完全取代电解液,用金属锂取代石墨/硅负极,正极仍为三元材料;阶段三:逐渐减薄固态电解质的厚度,并用硫化物/镍锰酸锂/富锂锰基等材料取代正极。

这对于主攻硫化物技术路线的丰田来说,无疑是一条“弯道超车”的可行性路线。

中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高不久前提到一个重要趋势,“随着CHATGPT技术的出现,对新材料的探索效率极大提高,开发的周期能够缩短,通过全球的努力,全固态电池能够取得成功。”

欧阳明高强调,全固态电池技术虽然面临着很多挑战,但仍然是值得追求的目标。“这可以看作是面向2030年值得创新的目标,一定要对全固态电池技术路线高度重视。”

也有观点认为,面对丰田全固态电池的攻势,也不必太过忧虑。全固态电池到了量产的时间,液态电池的安全性也可能会同步提高,并且能够很好地兼顾性能、技术、成本的优势。那么,彼时尽管全固态电池成功商业化,液态电池依旧占据一席之地。

未来胜负未可知,对于可能的技术路线,保持警惕之心与敬畏之意,方可变通而图存。

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