《丰田:固态电池已有原型产品 但产业化要等到2025年》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2020-07-29
  • 对于固态电池的商业化量产,丰田汽车与业界的预判基本一致,预计要到2025年前后才能市场化落地。近日,丰田汽车动力总成公司执行副总裁兼电池业总经理Keiji Kaita透露,“丰田计划在2025年之前量产固态电池。”

    尽管固态电池在电动汽车领域的应用预计还要四五年的时间,但这并不妨碍车企们对于固态电池技术的热情,毕竟在很多车企看来,固态电池有望成为消除电动汽车续航焦虑、安全焦虑、充电焦虑的突破性技术之一。换言之,谁先掌握了固态电池技术,谁就有可能改写电动汽车的竞争格局。

    01 丰田:如期推出固态电池原型产品 明年将亮相

    2019年10月,丰田执行总裁兼首席技术官寺岛茂树Shigeki Terashi曾透露,丰田将在2020年东京奥运会期间推出一款搭载固态电池的电动汽车,该车型将基于丰田e-Palette平台开发。“如果不是因为疫情的冲击,丰田下一代电动车的核心部件固态电池或许就在东京奥运会举办期间亮相了。”据知情人士透露,丰田仍在积极研发固态电池,如期推出了原型产品,并已在概念车上运行。

    图片来源:易车网

    那么丰田汽车的固态电池技术研发进展如何了呢?

    在充电速度方面,据丰田内部人士透露,固态电池原型产品在充电速度上相较于现有锂电池具有明显优势,电量从0到100%仅需15分钟。“充电焦虑”或将在固态电池上成为过去式。

    在电池寿命方面,丰田汽车计划其生产的固态电池在使用30年后仍保持90%以上的性能。如果该技术能尽快实现,那么循环性能将超越近期特斯拉、宁德时代、通用等宣传的百万公里电池。

    在能量密度方面,根据丰田的规划,计划到2025年将固态电池能量密度提升到现有锂电池能量密度的2倍以上,预计可达到450Wh/kg。届时,搭载固态电池的电动汽车,续航里程将大幅提升,可与目前燃油车相媲美。

    在安全性方面,由于固态电池采用固态电解质,不含可燃性的电解液等材料成分,安全性也将明显提升。

    不过,尽管已推出固态电池原型产品,但真正市场化应用,丰田认为也要到2025年前后:一方面是因为技术还需要不断完善;另一方面是成本还比较高。

    Keiji Kaita表示,现在讨论固态电池的上市时间还太早,和很多前瞻性技术一样,其商业化同样面临多重障碍。据悉,目前丰田工程师正在调整电池的阳极和其他材料构成,使固态电池的耐用性和安全性继续提高,“丰田希望能在 2025 年前量产固态电池,”Keiji Kaita表示。

    据丰田内部人士透露,目前固态电池的另一大问题在于成本,未来成本需要低于100美元/kWh才能与燃油机相抗衡,很显然固态电池的降本还有较长一段路要走。不过,丰田并未透露目前原型产品的生产成本情况,但相信随着技术的成熟,产业化规模放量,技术成熟后其成本下降也可期。

    据电池中国网了解,丰田正通过其与松下电池成立的合资企业泰星能源解决方案有限公司推动固态电池业务的发展。该公司今年4月已投入运营,丰田在合资公司中持股51%,在5人董事会中占据3席,松下电器持股49%,董事长由丰田汽车好田博昭出任。

    从目前丰田透露的信息来看,固态电池真正商业化预计还要等到2025年,目前仍然有技术需要不断完善,成本依然要下降等问题需要克服。如果明年东京奥运会能如期举行,我们也可以在东京奥运会上一窥丰田汽车固态电池研发最新进展情况。

    02 大众再加码 2亿美元投资固态电池技术公司

    同样热衷固态电池技术的还有大众汽车。今年6月,大众汽车宣布将增加对固态电池开发商Quantum Scape的投资,增资的金额为2亿美元(约合人民币14.2亿元),大众方面表示此举是为了进一步开发固态电池。

    公开信息显示,Quantum Scape是斯坦福大学前研究人员于2010年在美国圣何塞成立的新公司,主要从事固态电池研发工作,拥有了约200项固态电池技术专利和专利申请。

    据电池中国网了解,这是大众汽车第三次对该公司进行投资,2014年大众就出资持有了这家公司5%的股份;2018年,大众又出资1亿美元(约合人民币7.1亿元)与QuantumScape成立了合资公司。接连三次向这家公司注资,足可见大众汽车对于固态电池的重视。

    事实上,就6月份的巨额投资,大众汽车零部件管理委员会主席Thomas Schmall表示:“我们与Quantum Scape正在取得技术进步,此次投资将会有效地增强我们对全固态电池的联合研发工作。”

    目前业界对于大众和Quantum Scape在固态电池技术上的研发进展并没有较多信息。大众此前透露已经对Quantum Scape的固态电池样品进行了测试,“能够使e-golf的综合续航里程从300公里提升到750公里。”

    对于固态电池的量产时间节点,大众预估与丰田类似,“我们与Quantum Scape的目标是在2025年建成一条为电动汽车生产固态电池的生产线。”

    除了丰田、大众外,宝马、福特、现代等车企近几年也陆续投资了Soild Power等固态电池技术科创公司。

    国内方面,上汽、一汽、北汽等车企近年来也纷纷投资了固态电池技术公司。如上汽集团、北汽产投联合投资了国内固态电池技术企业清陶能源,一汽产业基金参与了辉能科技的融资项目。

    实际上,除了上述一些国际车企之外,国内众多锂电池生产企业及材料企业,如宁德时代、比亚迪、国轩高科、清陶能源、力神电池、辉能科技、当升科技、赣锋锂业等也都在布局固态电池及材料技术开发。

    宁德时代董事长曾毓群表示,真正的固态电池是需要用金属锂作负极,这样才能提高能量密度,现阶段业内一些企业发布的固态电池在能量密度等指标上还不如(液态)锂离子电池,公司也在持续进行固态电池等前沿技术的研究和产品研发的投入。不过,宁德时代目前并未透露过公司固态电池研发进展的相关信息。

    近日,国轩高科董事长李缜透露,国轩高科在半固态电池的研究上投入了大量资源,未来国轩会结合半固态电池的研究,大大提升高镍三元电芯和Pack系统应用的安全性与可靠性。

    此外,赣锋锂业、清陶能源、辉能科技都已经建成了固态电池中试产线,正在加快相关技术的落地。

    事实上,在电动汽车产业飞速发展的推动下,过去十年电池技术进步速度在大幅提升,而当前电动化浪潮正席卷全球,全球主流车企也纷纷向电动化转型,预计在这一波浪潮中,作为下一代电池技术的固态电池,其研发及落地时间相信也会有所缩短,丰田、大众都给出了2025年的时间表,这一节点也非常值得期待,如果2025年固态电池技术真正实现产业化,相信汽车电动化将真正成为主流。

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    • 相较锂电池,新型固态电池存在诸多优势,因此被视作下一代动力电池的发展方向。目前,多家车企都在对固态电池进行技术攻关。丰田作为全球第一大车企,正在紧密布局。 早在去年10月东京车展开幕前夕,丰田执行总裁兼首席技术官寺岛茂树Shigeki Terashi就曾透露,丰田将在2020年东京奥运会时推出一款搭载固态电池的新能源车型,而这一车型的量产预计要到2025年才能实现。 不过,今年由于疫情冲击,东京奥运会延期到了明年,丰田的这一计划有所推迟。 据外媒报道, 丰田汽车动力总成公司执行副总裁兼电池业总经理Keiji Kaita表示,现在讨论固态电池的上市时间还太早,和很多前瞻性技术一样,起商业化同样面临多重障碍。 据了解,相比锂离子电池,固态电池的能量密度是其2-3倍,且重量轻、寿命长,更加安全,也不容易受到温度对电池性能的影响。丰田的固态电池原型产品比锂离子电池充电速度也要快很多,从零到充满仅用15分钟。 Keiji Kaita表示,丰田希望能在2025年前量产固态电池,初期由于成本和规模,起价格会高于锂离子电池。 丰田希望,其生产的固态电池可以使用30年以上,仍保持90%以上的性能。
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    •  相较于传统的锂离子电池,固态电池能提供更好的续航能力和安全性,但目前而言,固态电池迫于技术和成本的双重制约,距离产业化仍然需要很长时间。   光大证券认为,固态电池有望成为下一代高性能锂电池。目前中国大部分的汽车厂商和新能源厂商也在参与固态电池的研发。   固态电池的不同技术路径   2019年12月,工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿),在“实施电池技术突破行动”中,加快固态动力电池技术研发及产业化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”。这意味着固态电池有望上升至国家战略层面。   固态电池是以固体材料来代替现有锂离子电池中使用的液体成分,固态电解质的厚度仅3~4微米,非常轻薄,不仅减小了体积,也降低了重量。   固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐步下降,全固态电池是最终形态。依据电解质分类,锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类,其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。   不过,固态电池的技术路线目前仍有很大分歧。   固体电解质可大致分为三类:无机电解质、固态聚合物电解质、复合电解质。目前业内比较看好的材料包括固态聚合物、硫化物、氧化物、薄膜等。   光大证券认为,聚合物固态电解质将率先实现应用,但存在高成本和低电导率两个致命问题。   目前主流的聚合物固态电解质是聚环氧乙烷(PEO)电解质及其衍生材料。相比之下,氧化物固态电解质综合性能好,进展最快。硫化物固态电解质电导率最高,研究难度最大,开发潜力最大,但如何保持高稳定性是一大难题。高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段,LiPON薄膜型全固态电池已小批量生产,非薄膜型已尝试打开消费电子市场。   近年来多家中国企业建立氧化物固态电池生产线。   苏州清陶新能源在江苏昆山建成投产的固态锂电池生产线,单体能量密度达400Wh/kg以上,拟于2020年进入动力电池应用领域。   辉能科技与南都电源合作建立的国内首条1GWh规模的固态电池生产线也将于2020年建成,公司今年4月刚完成D轮融资,用于加速固态电池商业化落地和工厂建设,辉能在氧化物固态电池方面取得了一定的成果。   日韩和欧洲企业则投入了大量资金进行硫化物固态电解质的研究。   2020年日本丰田计划推出搭载硫化物固态电池的新能源汽车,计划于2022年实现量产。十几年前丰田已开展固态电池研发工作,不仅获得了固态电解质材料、固态电池的制造技术等方面的专利,还研发了一整套的正极材料和硫化物固态电解质材料回收的技术路线和回收工序。三星和宝马也都在研发硫化物固态电池的技术。中国的宁德时代(300750.SZ)也在这一方向上发力。   全固态电池商业化还要5~10年   今年3月初,三星高等研究院(SAIT)与三星日本研究中心(SRJ)在《自然-能源》介绍了其在固态电池领域的最新进展,称已经开发出一种高性能全固态电池。这种电池的循环寿命超过1000次,可以让电动汽车在单次充电的情况下行驶800公里。   丰田也在联手松下开发固态电池领域技术;宝马于2017年开始牵手Soild Power开发固态电池,福特和三星也于去年投资了Solid Power;大众也表示将在欧洲建厂生产固态电池,有望在2024~2025年间实现量产。   另一家瞄准动力电池市场的是戴森。戴森创始人詹姆斯·戴森表示,向其他车企出售固态电池是一个进入汽车行业的选项。   光大证券称,固态电池领域已经进入“军备竞赛”阶段,各企业期望抢占先机以赢得市场份额。固态电池领域市场参与者众多,车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。随着越来越多的企业加入,固态电池产业化进程不断加速,按照目前的发展情况,2021~2025年固态电池将实现初步应用。   不过全固态电池的商业化还需要很长时间。去年底,宁德时代一位电池开发负责人曾表示,全固态电池实现商品化要到2030年以后。   光大证券研报显示,固态电池的工艺路线尚不成熟,降本仍需过程,全面产业化预计需要5~10年。例如三星的固态电池虽然能够达到长续航,但生产环境要求苛刻,银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高,短期产业化并不现实。   国内固态电池产业化进程正在不断加速。   国轩高科2019年推出了半固态电池的试生产线;赣锋锂业年产亿瓦时级第一代固态锂电池研发中试生产线已建成试产,不久将正式投产;比亚迪也曾表示正在积极推进固态电池项目商用;宁德时代的全固态电池还在开发中,预计2030年后实现商品化。   此外,天齐锂业2018年开始布局固态电池,其参股公司美国Solid Energy主要开发和生产具有超高能量密度、超薄锂金属电池,开发电解液和负极材料。2018年宣布与中国科学院等机构进行固态电池技术合作,目前尚处于实验试制阶段。鹏辉能源固态电池处于研发阶段,计划在未来2~3年内推出固态电池产品。   近两年内固态电池生产线迎来一轮不小的投产潮,清陶、卫蓝新能源、辉能科技等企业将建固态电池生产线,虽然目前各企业均未公布固态电池成本,但此前已有预测,固态电池成本将远高于锂离子电池,未来固态电池若想实现产业化,降本则成必然。   光大证券认为,固态电池的生产可组合传统锂离子电池产业链。与传统锂离子电池相比,固态电池电芯制备不存在革命性创新,只是电极和电解质制造环境要求更高,需要在惰性气体保护下或在干燥间内进行,这与制造超级电容器、锂离子电容器等空气敏感储能器件的生产环境相似。