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钻牛角尖的丰田

在电动汽车时代被赶超的日本车企,原来还是希望在动力电池上恢复往日荣光。

前不久举办的东京车展上,丰田、日产、本田等日本企业展出的重磅车型几乎都是电动汽车,可以看出一度被指责转型缓慢的日本车企应对市场竞争的决心。但最值得关注的,无疑是丰田放出的“大招”。

展会上,丰田与日本石油化工企业出光兴产宣布,双方将合作量产面向电动车的“全固态电池”,目标是在2024年启动固态电池试点生产,并在2027年至2028年实现“全固态电池”的量产实用化。

丰田还提到,搭载此固态电池的车型将具有充电时间10分钟以内、续航距离约1200公里的性能,更优化的版本甚至可以达到1500公里。这意味着什么?充电一次,你就能从上海一路开到北京。而目前,国内开始上车的只是过渡性的半固态电池,能量密度集中在360瓦时/公斤,理论上充电一次最高可续航1000公里。现在几乎占据全部市场份额的仍是液态电池磷酸铁锂和三元锂电池,能量密度集中在200-300瓦时/公斤之间。对比之下,足见全固态电池性能之恐怖。

丰田展出的全固态电池
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丰田展出的全固态电池

丰田这几年在中国市场饱受本土新能源车企冲击,提前抢占“下一代电池革命”高地也算是落后情况下的理性抉择。

11月月初,一汽丰田向经销商发函称,为改善经销商库存和资金压力,一汽丰田将在今年12月至2024年2月下调工厂产量,三个月产量分别下调至6.6万辆、6万辆和3.8万辆。

此前一汽丰田已经连续两个月下调了产量。其他日系合资车企销量下滑的更加迅猛,今年前十个月,广汽本田销量下滑21.6%,广汽丰田下滑9.3%,东风日产和东风本田销量同比分别下降27.8%和15.5%;日本三菱更是直接放弃广汽三菱股权,退出中国市场。

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如今,以电动化和智能化为标签的国产新能源车型正迅速抢占日系车曾经的主力车型市场,导致日系车在中国乃至海外市场除了降价毫无应对之法。而一直对纯电路线摇摆的丰田要从固态电池入手,又能否扭转颓势?

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全固态电池好在哪?

全固态电池一直被电池行业视为“圣杯”,曾有多位业内人士预计,在最乐观的情况下,真正的固态电池可能也要在2025年之后才会出现,而量产上车的时间表则难以预计。

要了解什么是固态电池,必须要先知道传统电池的工作原理。无论是铅蓄电池、磷酸铁锂电池还是三元锂电池,大多是由正极、负极、隔膜和电解质四大部分组成。现在电动车常用的动力电池无论电池包是圆柱体还是长方体,电芯本质上都是液态锂离子电池,其工作原理是靠由锂盐和有机溶剂混合而成的电解液,在正极负极之间不断运输锂离子,从而实现充放电,电解液也因此被比喻为锂电池的“血液”。

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电解液中的主流溶剂是碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC),它们之所以能被选中,肯定是因为电化学反应突出,且成本较低,但电化学反应好也就意味着不好控制。

上述有机溶剂往往燃点较低,并不耐高温,且特别容易跟正负极材料发生化学副反应,只是在锂离子电池首次充放电过程中,会在正负极分别形成固体电解质界面膜(SEI),形成了一种暂时稳定的状态。但是一旦电池受到外力撞击,电解液泄露或者正负极短路出现火花,整车都会报废。

尽管电池厂商已经尽力想办法避免故障,比如比亚迪刀片电池,通过排出电芯过度充放电或短路产生的气体来保证安全,但整个体积占到电芯30%的电解液依然是不稳定因素。

研究人员早就想到了方法:电解液不好控制那就换成固态的。如果电池内部完全没有液体存在,只有无机物或有机高分子固体作为电池的电解质——也就是丰田看中的全固态电池——那么安全性会不会提升?

传统液态电池结构
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传统液态电池结构

答案是肯定的,当电池内部从“游泳池”变成了“沙地”,理论上看也就没有任何起火风险。用固态电解质代替电解液,电池的构造就可以去掉隔膜,因为固态电解质本身就可以充当隔膜,同时整个电池也会比液态锂电池更坚固,不容易发生短路情况。此外,没有了液态碳酸酯充当燃料,电池也很难着火。

除了安全性,固态电池还有一个优点,即能量密度也就是续航里程的提升。

一直以来困扰动力电池的能量密度问题其实都没法根治,常用的一种方式是优化电池包结构,通俗点说就是在有限空间内塞更多电芯,上面提到的刀片电池,CTC电池地盘一体化都是这个路径;另一种方式是改变电池的正极材料,例如三元锂电池就是在正极中加入镍钴锰三种元素,提高能量密度。

有研究人员指出,如果动力电池的负极能从现在并不含有锂元素的石墨,变成金属锂,那么锂离子的含量以及可传导的电量都会大大增加。液态电池负极不能用金属锂,是因为电解液极容易与金属锂反应产生锂枝晶,刺破电池隔膜,导致电池短路、起火爆炸。

不同电池组成结构对比
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不同电池组成结构对比

而固态电池并不需要担心金属锂与液态发生反应,体积也可以比液态电池更小,能量密度会比现在的动力电池提升一个量级。哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院教授王家钧解释,如果金属锂作为负极的话,理论容量3860mAh/g,约为石墨的10倍,与现有锂离子电池正极体系搭配,电池能量密度可轻松达到400Wh/kg以上。

充电速度更快、能量密度大幅提升、安全性更高等种种优势给了全固态电池无数光环,但这么好的电池在实验室是一回事,量产上车就是另一回事了。

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从理论到量产的距离

全固态电池也和液体电池一样,都要考虑离子导通、电子绝缘、电化学稳定、热稳定、空气稳定以及各个指标的对应温度特性等各种性能需求,其中最重要的当然是固态电解质的选择。

现有的固态电解质虽然有聚合物、无机氧化物和硫化物三个选择,但每一种固态电解质都没法取得令人满意的综合性能,也没有哪个固态电解质能完全克服“离子导电效率低”和“界面阻抗大”这两个天生顽疾。

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分开来看,聚合物路线的优点在于易加工,和目前液态电解质的生产线生产工艺比较兼容,也可以做成凝胶状,电极的物理接触特性好,但缺点就是导电效率极差,差到很难作为动力电池使用;无机氧化物路线导电率很好,但是氧化物太硬导致与正负极接触不良,界面阻抗大。如果固态电解质和正负极不能紧密接触,锂离子就不能完成传输和能量转换,电池内可能还会形成金属枝晶使电池短路,同样有起火风险。

而丰田选择的硫化物是研究潜力最大的路线,其优点是导电率高,硫化物又比较软,界面阻抗小。但是,硫化物容易和水、氧发生反应,产生有毒的硫化氢,现在的电池制造工艺又很难避免跟水接触,这也是量产的门槛之一。

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根据国联汽车动力电池研究院报告,在全球相关专利排名中,丰田汽车和出光兴产分列前两名,而且丰田高达上千个的专利数量比其他排在前十位的机构加起来还要多,确实是“遥遥领先”。但量产上车可要比实验室做出更多妥协,比如综合成本要与现在的液态电池持平或更低,积累深厚的丰田还有很多关要闯。

编辑|张毅

审核|吴新

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