豐田固態電池計劃2025年量產,但面臨多重挑戰

如果所有的事情都按照原來的計劃進行,那么東京現在應該在舉行夏季奧運會,而作為這次奧運會主要贊助商之一的豐田汽車將是活動的焦點,這家車企將展示下一代電動出行領域的重要技術:固態電池。

新冠疫情可能破壞了2020年東京奧運會的計劃,但豐田的工程師卻沒有受到影響。這家公司的電池專家已經按照計劃成功制造出固態電池的樣品,而且已經安裝到概念車上。

豐田動力系統公司執行副總裁兼電池業務總經理Keiji Kaita表示,由于東京奧運會被推遲到2021年,現在還無法確定樣車何時正式亮相。Kaita談論了這種固態電池技術的前景以及阻礙其商業化的障礙。

對固態電池持支持態度的人士認為,這種電池是邁向電動化未來的重要一步。固態電池組不容易受極端溫度的影響,其能量密度有望達到目前鋰離子電池的兩至三倍。

固態電池用固體電解質替代液體電解質,并且有望比現在的電池更輕、壽命更長、更安全,價格比目前市面上的電池更便宜。Kaita說,試驗的固態電池樣品的充電速度比目前的鋰離子電池快得多。

不過豐田的固態電池樣品仍然面臨一些挑戰。首先,由于安全和耐用性問題,工程師們尚未利用電池的真正潛力來提高能量密度。

Kaita說:“為了克服各種局限性,我們正在研究如何調整陽極或其他材料。對于發現的不足之處,我們正在努力避免。”

固態電池的樣品是堅硬的板狀薄片,尺寸和厚度與螺旋筆記簿差不多。研究人員將電池密封在袋子里面以便防潮,然后排列成電池組。

Kaita說,樣品電池進行充電時,從零到充滿需要的時間不到15分鐘,耗時大幅低于容量相同的鋰離子電池充電所需要的時間,這是除了高能量密度外的另一個優勢。

豐田正專注于使用基于硫的電解質,因為這種電解質似乎可以讓鋰離子在電極之間更有效地轉移,不過仍然存在的挑戰是,需要開發一種電解質,既可以緊密地壓實,又能保持柔韌性。

固體電解質需要在高壓下壓實,從而減小顆粒之間的間隙,以便離子和電子可以很容易通過,但是這種電解質還需要具有柔韌性,因為陽極在放電過程中會膨脹和收縮,所以電解質必須留一點空間。

其中的問題在于,膨脹和收縮的空間越大,電解質顆粒變形的可能性就越大。隨著時間的推移,這種變形會抑制離子和電子的流動并降低電池的性能。這其中的關鍵是開發一種不會輕易變形的材料。Kaita說,通過新材料或新設計可能實現突破。

這種固態電池的制造過程也存在挑戰,特別是電池必須在超干燥的非水環境中生產。

現在,這些固態電池是在一個名為手套箱的透明盒子中制造,工人們通過緊密嵌在盒子上的橡膠手套將手伸入箱子里面。因此,這種固態電池的生產過程緩慢,無法進行大規模生產。

豐田汽車正在通過該公司與松下合資的Prime Planet Energy&Solutions Inc.開發這種固態電池,這家合資公司在4月份開始運營,現在有大約5100名員工,其中包括中國子公司的2400名員工。

這家合資企業的任務之一是制造和銷售汽車固態電池。Kaita說,豐田仍有望在2025年實現有限數量的生產。

由于生產規模較小,這些固態電池最初的成本將高于鋰離子電池。他推測,在最初生產的幾年里,這種固態電池的產量將保持在非常低的水平。他說,要想與內燃機動力系統競爭,這種電池的成本必須降到遠低于每千瓦時100美元的水平。

豐田的目標是,這種電池經過較長時間(可能是30年)的使用后,仍然能夠保持90%的原始性能,這讓該電池的研發過程變得更加復雜。

Kaita說:“這可以通過調整電池的性能來實現,也可以通過控制系統或冷卻系統來實現,或者我們使用電池的方式或充電的方式可能幫助實現這個目標,整體的觀點非常重要。”

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