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研究周报 | 丰田结盟推进固态电池,产业化和规模应用还有多远?

最近非常热的议题是日本汽车产业的转向,由丰田汽车公司主导的电动汽车技术研发联盟,包含了丰田、马自达、电装、铃木、斯巴鲁、日野汽车及大发工业多家公司,为的是共享知识、降低成本、加速研发进程。

从整体车型来看,铃木、大发以小型车为重点、斯巴鲁以中型车为重点、日野以商用车为重心,从而构建起一套适用于各种车型的电动汽车基础技术。如下图所示,这个进程和规模,离之前丰田发布的相关规划有差距,我们可以有几种解读。

经济性:由于每个车企都需要有纯电动车型进行合规,通过结盟均摊费用,使用同质化的技术可以快速降低成本。

技术可行性:如果在固态电池上没有突破,可以通过各个车型的应用来快速找到现有锂电池应用的关键共性问题;如果在固态电池上有突破,则通过共同投资来均摊先进技术所带来的高费用问题。

合规和企业形象:通过以上两条,来解决目前迫在眉睫的中国市场的双积分要求,也可以应对接下来欧洲市场的要求。不过这次还是从另一个角度来改变日本汽车产业的整体形象。

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丰田纯电动规划是从2020年开始小量,2025年覆盖多个车型

以以上目标为导向试图做出改变的日本汽车产业,整体策略的基础是对纯电动汽车的看法。从这个意义上,在开发固态电池上,丰田并不像是一个整车OEM企业,倒像是一个核心供应商,通过锁定其他车企的需求并均摊研发费用,从而把它作为一个大事业来做。

关于丰田的固态电池,有以下几点信息:

消息来源:目前比较可靠的来源是相关研究单位发表的论文和申请的专利,这两者都集中于原理层面,而产品工程方面和制造工艺方面,尚无法探知。

车型产品开发过程:根据过往的情况,只有到了车型快要发布的时候,丰田才会发布更多的信息,这次有更多的企业参与,可以关注各个参与企业发布的信息,来评估判断他们到底是采用现有常规的电池技术,还是真的有突破。

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丰田在固态电池的投入有点类似核心供应商

从日本汽车产业的态势来看,固态电池将改变纯电动汽车产业形态的说法比较多,这也会对未来的供应链和整车规划产生较大的影响。

本文从几个角度来汇总一下现有信息,同时对几个大方向的问题进行梳理,提出三个问题:

1.     固态电池与传统的锂电池差异有多大?

2.     目前全球范围内,在不同的技术路线上,研究和应用的进展如何?

3.     政策制定部门、车企、电池供应商和材料供应商,该如何跟踪和看待这个让人有些看不透的拐点?

从现有情况来看,对于2020年丰田推出革命性的固态电池技术这一点,大部分从业人士是持有怀疑态度的。特别是涉及到目前纯电动汽车要求较大容量的电池,需要从小电池往大电池放大,这个过程中产生的制造问题让业内人士存疑。

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固态电池核心的缺点就是电池方法之后的功率特性和可制造性【1】

一、固态电池与传统锂电池的差异

全固态锂电池是指电芯内各单元,包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池。在构造上比传统锂离子电池要简单,固体电解质除了传导锂离子,也充当了隔膜的角色,它的工作原理与传统的锂离子电池原理是相通的。

如下图所示,传统的锂电池在往高能量密度方向走的时候,需要尽可能增加有效参与反应的物质比例(包含电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯)。

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传统锂离子电池与固态电池

而从当前情况来看,国内外大量的电池企业已经在扩充产能的道路上走了挺远的一段路,如下图所示。提升可充放锂电池能量密度的方法是对正负极材料进行选择和改性,优先发展含硅负极、高比能量正极的第三代锂离子电池,在安全方面考虑采用以下的办法来提高安全性:

•       功能电解液

•       耐高温隔膜基材

•       陶瓷涂覆隔膜

•       减小电芯内阻

•       电芯升温后提高内阻

•       电芯散热

短期来看,各个电池企业都是按照这个路径在走,虽然赶不上中国电池路线图的要求,但是电池能量密度从210Wh/kg一步步提升到250Wh/kg,再往上到300Wh/kg还是可以预期的。

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锂电池的进化分支

二、固态锂电池的应用开发现状

此前业界一致的观点是,对于全固态锂二次电池的研究还处在早期的阶段,按电解质区分主要包括两大类:聚合物全固态锂电池和无机全固态锂电池。

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固态电池的研究范畴

实际开发过程中,各国的研究机构在产品化的过程中不仅仅需要关注离子导电性,其他性能也至关重要。不同种类的固态电解质,可以通过一组综合评价表来对比,主要性能有:高的离子导电性、低的离子面积比电阻、高的电子面积比电阻、高的离子选择性、宽的电化学稳定窗口、好的化学兼容性、优异的热稳定性、优异的机械性能、简单的制备过程、价格低廉、易整合和环境友好。如下图所示:

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固态电池质的特性【2】

从国际上固态电池领域的投资收购动向看,依托于美国科研单位的孵化企业获得大型企业的投资,一方面可以理解为初创企业主要集中在前端的电解质特性研究,小型原型电池在电池放大过程中和后续的产业化和可制造性方面缺乏完整的可持续性;另一方面我们也可以这样理解:科学家们通过研究材料和特性,拥有了专利和原型产品,至于把它产业化、规模化,就需要工程和制造企业予以较长时间的转化。这也客观地促成了投资交易,如果已经实现了完整的产品和制造过程,这些初创企业也就没有把自己卖掉的必要。

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固态电池企业的投资和收购

小结:

本篇主要是对一些固态电池的基本的考虑,写作过程中花了很多的时间了解不同的分支和研发的情况,也看了不少综述的文章。对于丰田,更多的可能还是一种扩大投资的行为。在2020年三年之内拿出真正车载可用、而且成本占有优势的固态电动产品,需要非常大规模的制造层面的投资和开发。很多事情在不断的发展之中,当下实在看不出来有跨代的黑科技出来。当然客观来说,随着各个车企对电池性能的诉求增加,而原有路径提升有困难的话,研发和试制的资源往固态电池领域大量投入是可以预期的。

参考文件:

1) Goldman SachsCharging the future: Asia leads drive to next-generation EV battery market

2) Manthiram, A. et al. (2016) Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes

来源:第一电动网

作者:朱玉龙

本文地址:https://www.d1ev.com/kol/61444

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