豐田電池局：多技術路線并進

從鎳氫電池到鋰離子電池、固態電池，以及豐田投放市場的Mirai未來組合搭載的氫燃料電池，豐田在“穩定”的基礎上嘗試更多的可能性。所以以后不管風吹到哪里，豐田都能追上，甚至用技術帶起一波。馬斯克一直對外界表示，固態電池不是動力電池的未來，氫燃料“愚蠢得不可思議”。而豐田則堅稱我們不會放棄氫電燃料電池的技術。相比馬斯克的決定，豐田似乎更愿意嘗試動力電池行業的多種可能性。從鎳氫電池開始，豐田從上個世紀就開始布局電池業務。為什么豐田如此鐘愛鎳氫電池？但是有一個規律，豐田從來沒有放棄過鎳氫電池。一向擅長混合動力技術的豐田，最早開始致力于適合混合動力汽車的鎳氫電池。第一代普銳斯搭載PEVE生產的圓柱形鎳氫電池，在日本愛知縣豐田工廠生產。第二代普銳斯上市時，圓柱形電池被方形鎳氫電池取代，豐田稱這是為了優化電池組內部空間，提高系統能量密度。不過不管是圓柱形還是方形，從1997年的第一代普銳斯到今天的卡羅拉和凱美瑞，豐田對鎳氫電池一直是那么情有獨鐘。為什么？主要原因是因為豐田獨有的混動技術。目前豐田推出的車型中，主力車型是混動車。對于混合動力汽車來說，電池最重要的任務不是續航里程，而是配合電機輔助發動機達到最佳狀態。關鍵是把兩者結合起來控制成本。混合動力汽車在行駛過程中，發動機的作用是保持高速穩定運行，而電機的工作時間主要在起步階段和低速行駛階段。此外，電動機會自動轉換成發電機，將車身運行產生的能量轉化為電能，儲存在蓄電池中。這樣一來，混合動力汽車能否更加安全快捷地充放電，成本預算，才是豐田要考慮的事情。首先，從安全角度來說，鎳氫電池使用的是不易燃的水溶液，不會出現鋰電池那樣的鋰析出。另一方面，鎳氫電池的比熱容、電解液蒸發和能量密度都比較高，即使在短路、爆胎等極端情況下，電池發熱也不太可能引起燃燒。此外，由于鎳氫電池不含有物質，主要成分為鎳和稀土，因此回收更安全，難度更小，回收程度更高。成本方面，有報告顯示，2010年以前，鎳氫電池的每瓦時電池成本與鎳氫電池相差無幾。所以在早期，鎳氫電池的使用量相對低于鋰離子電池。此外，由于混合動力系統的動力輸出合理，行駛過程中一般使用的電池容量在10%左右，極端情況下最大功耗只能達到40%，所以剩余60%的電池電量沒有使用。這種“淺充電”的電池管理方式可以大大延長電池壽命，充放電循環次數可以達到10000次以上。所以在長期的成本控制上，鎳氫電池相對更有優勢。此外，鎳氫電池技術相對成熟，產品質量控制難度大，成品率高，成本相對較低。從技術上講，鎳氫電池的快速充放電能力和穩定放電特性也適合混合動力汽車的工作模式。數據顯示，鎳氫電池充滿電后，每月會釋放25%-35%的電量，而鋰離子電池每月自放電率僅為5%-9%。鎳氫電池如果只在容量的40%-60%之間運行，可以充放電數萬次。普通鋰離子電池充放電循環在500次左右，鎳氫電池在2000次左右。在不考慮充電時間的情況下，鎳氫電池具有充放電速度快、發熱量低、放電穩定的特點，即……更適合混合動力系統的工作模式。所以一向穩重的豐田選擇了更適合其混動技術的鎳氫電池。但是，豐田并沒有把整個生命線都放在鎳氫電池上。豐田在第四代普銳斯的高配版和插電版搭載的是鋰離子電池。為什么改用鋰電池(1)鎳氫電池受到限制。既然鎳氫電池可以滿足混合動力汽車的需求，為什么豐田又開始研究鋰電池了？有人說，當然是為了搶占純電動市場，其實不是，因為2006年，豐田并沒有公開說要布局純電動汽車。有句話叫逼。2006年，通用推出了純電動汽車EV1，但市場表現不如RAV4，于是將鎳氫電池的專利子公司Ovonics賣給了美國石油巨頭雪佛龍。隨后，雪佛龍起訴豐田、松下和PEVE侵犯專利。最后雙方達成和解，但結果是豐田不能在純電動汽車上使用鎳氫電池。所以豐田如果發展純電動，不能依賴鎳氫電池，這是一部分原因。(2)鎳氫電池的成本逐漸上升。此外，2010年鎳氫電池的成本開始高于鋰離子電池。成本驅動也是豐田轉型的關鍵因素。畢竟豐田一直認為鋰離子電池的高成本是阻礙其技術市場化的一大因素。因此，如果鋰離子電池技術有所突破，豐田將實現另一次突破。但轉型的基礎是在鋰離子電池技術領域的積累和發展決心。(3)鋰離子電池技術的前期積累豐田最早開發鋰離子電池技術，拉了松下。2008年，松下收購三洋電機，將其鋰電池、鎳氫電池、車載導航等業務“松下”，在豐田與松下合作的背景下，進一步增加了在鋰電池領域的技術儲備。同年年底，豐田成立了“電池研究部”，專注于鋰離子充電電池之外的新一代電池的研發。2009年，豐田汽車發言人PaulNolasco表示，該公司與日本東北大學共同開發了一項技術，可以使鋰離子電池儲存10倍于當時同類電池的電量——單晶鋰鈷氧化物的加工。使用單晶形式后，豐田可以減少石墨的使用量，產生電流的鋰離子有更多的存儲空間。但當時豐田仍然認為當時的鋰離子電池容量無法為全電驅動系統的車輛提供足夠的續航里程。當時豐田已經開始少量生產鋰離子電池。2010年，豐田章男投資5000萬美元購買了特斯拉3%的股份，并以4200美元的價格將加州MUMMT工廠賣給了特斯拉。合作的目的是為第二代RAV4 EV開發鋰離子電池系統。2010年，豐田鋰離子電池量產。時隔6年，在東京第七屆國際二次電池展覽會上，豐田展示了新款普銳斯使用的鋰離子電池組，PEVE負責電池和模塊的制造。日本靜岡縣大森工廠的部分生產線負責生產正極三元材料(鎳、鈷、錳)的鋰離子電池，預計年產能為20萬輛。這種電池是由2011年5月上市的普銳斯Alpha使用的電池改進而來。通過減小電池單元的尺寸，電池組的體積減少了6%。由于電池電芯的小型化，載流量從原產品的5.0Ah降低到3.3Ah，2018年PEVE宣布將新建HEV用鋰離子電池廠房，目標是2020年上半年將年產能擴大3倍至60萬臺。至此，在與各方合作的過程中，豐田在鋰離子電池上的技術也有了一定的積累。(4)豐田對鋰離子現有問題的改進豐田表示，將從2020年開始陸續推出10款純電動汽車，到2025年旗下所有車型都將有電動版本。然而，d……隨著鋰離子電池技術的不斷升級，鋰離子電池的安全性一直備受詬病。一般情況下，鋰離子電解質溶液在80度以上會分解產生氣體膨脹，甚至導致爆炸或火災危險。要實現純電動汽車的銷售目標，豐田必須掌握更安全的技術。因此，為了解決鋰離子充放電過程中由于鋰離子偏移導致實際可用容量變小的問題。豐田發明了一種觀察法。該方法利用同步附著的高強度X射線實現了每像素0.65微米的高分辨率和每幀100毫秒的高速測量，可以觀測鋰離子的運動狀態。因為X射線很難穿透重金屬元素，所以當鋰離子與其結合時，我們可以通過觀察重金屬元素的運動來了解鋰離子的運動。通過這種方法，研究人員可以觀察不同材料和結構的正負極、隔膜和電解液引起的鋰離子運動，從而觀察不同材料、工藝和方法對提高電池性能的影響，也可以分析電池性能下降的機理，從而為提高車輛續航能力和電池壽命做出針對性的研究。雖然不能直接改變鋰離子移位的問題，但至少豐田可以了解鋰離子的運動規律，這也是解決這類問題的一大進步。但是很多公司嘗試將液態電解液改為固態電解液來解決鋰電池存在的問題，豐田也在這一領域進行了嘗試。因為全固態電池中的固體電解質即使在200度也具有不燃的阻燃性，可以承受80-150度的高溫。根據日本NEDO的研究數據，現有鋰離子電池組中電池的體積比大約為20%-50%。如果使用全固態電池，電池組不需要冷卻系統，體積可以縮小一半左右。此外，取消排氣和冷卻系統可以降低一些成本。因此，無論從性能、安全性還是成本來看，固態電池都成為了豐田的另一種選擇。豐田曾公開表示，計劃在2020年上半年實現固態電池的商業應用。目前，豐田在固態電池領域擁有252項專利，日本在該領域的專利占世界總量的75%。另一種技術嘗試:固態電池然而，早期開發的固態電池由于輸出密度和能量密度較低，與商用水平相差甚遠，主要問題是內阻增大。基于以上事實，豐田認為引起內阻升高的主要有四個問題:(1)在正負極的正極活性物質與固體電解質的界面處會有一層電阻層；(2)固體電解質層將變得更厚；(3)陽極和陰極中活性材料的聚集；(4)在構成陽極和陰極或電解質的固體顆粒之間會形成間隙。在這方面，豐田開發了降低全固態電池內阻的技術。首先，為了解決電阻層的問題，豐田的對策是將正極活性物質包覆起來形成保護層，防止電阻層的形成，但為了更高的導電性，豐田將包覆層控制在10nm左右。然而，固體電解質層的增厚將導致無法完成大規模生產的循環。主要是因為正極混合材料、固體電解質和負極混合材料以干粉狀態混合，依次放入圓筒形容器中，插入作為集流體的不銹鋼板中，上下擰緊加壓。在運行過程中，干粉會飛蓬松，無法高速運行。為了解決這個問題，豐田取消了濕法工藝來提煉原材料。將干燥的粉末分散在溶劑中以制備漿料，將其涂布在箔上，然后干燥。正極、固體電解質和負極層分別通過干燥和溶劑去除形成。以這種方式，正極和負極材料以及固體電解質在它們各自的漿料中與粘合劑混合。顆粒緊密結合的同時，顆粒也牢固的固定在箔片上，運輸過程中不會出現回收制作困難的問題。但是前面提到的正負極活性物質的凝集會降低活性物質的表面積，而活性物質通過與電解質顆粒或導電添加劑的表面接觸來交換鋰離子和電子。如果表面積減小，鋰離子和電子的電導率就會降低。對此，豐田的方法是將漿料階段的活性物質均勻分散，防止凝集。另一方面，正負電極之間的間隙導致的問題是Li離子和電子的導電性降低，這是通過電極的致密化和電極的加壓來實現的。基于上述技術，豐田將全固態電池的體積功率密度提升至近2.5kW/L，體積能量密度提升至400wh/L，相當于2010年前后鋰離子電池水平的兩倍。雖然豐田在能量密度上領先一步，但一個不容忽視的問題是，豐田選用的硫化物會因工藝操作不當而產生硫化氫，劇易爆炸。所以在安全性上，很難保證。根據我從NE時代慧能科技了解到的情況，豐田為了避免這樣的問題，選擇在硫化物中加入一些氧化物，但是在量產方面，商業化還有待研究。然而，在固態電池方面，豐田已經宣布計劃在2020年東京奧運會上推出其配備固態電池的純電動演示車。對于固態電池的不同路線，龍頭企業豐田還處于商業化階段，實現產業化尚需時日。無論是從鎳氫電池到鋰離子電池，還是豐田投放市場的Mirai未來組合搭載的固態電池、氫燃料電池，豐田對電池業務的整體布局都傾向于在“穩定”的基礎上嘗試更多的可能性。所以，無論未來風吹向哪里，豐田都能迎頭趕上，甚至掀起一股浪潮。從鎳氫電池到鋰離子電池、固態電池，以及豐田投放市場的Mirai未來組合搭載的氫燃料電池，豐田在“穩定”的基礎上嘗試更多的可能性。所以以后不管風吹到哪里，豐田都能追上，甚至用技術帶起一波。馬斯克一直對外界表示，固態電池不是動力電池的未來，氫燃料“愚蠢得不可思議”。而豐田則堅稱我們不會放棄氫電燃料電池的技術。相比馬斯克的決定，豐田似乎更愿意嘗試動力電池行業的多種可能性。從鎳氫電池開始，豐田從上個世紀就開始布局電池業務。為什么豐田如此鐘愛鎳氫電池？但是有一個規律，豐田從來沒有放棄過鎳氫電池。一向擅長混合動力技術的豐田，首先開始研究適用于混合動力汽車的鎳氫電池……南第一代普銳斯搭載PEVE生產的圓柱形鎳氫電池，在日本愛知縣豐田工廠生產。第二代普銳斯上市時，圓柱形電池被方形鎳氫電池取代，豐田稱這是為了優化電池組內部空間，提高系統能量密度。但是無論是圓柱形還是方形，從1997年的第一代普銳斯到今天的卡羅拉和凱美瑞，豐田對鎳氫電池一直是那么情有獨鐘。為什么？主要原因是因為豐田獨有的混動技術。目前豐田推出的車型中，主力車型是混動車。對于混合動力汽車來說，電池最重要的任務不是續航里程，而是配合電機輔助發動機達到最佳狀態。關鍵是把兩者結合起來控制成本。混合動力汽車在行駛過程中，發動機的作用是保持高速穩定運行，而電機的工作時間主要在起步階段和低速行駛階段。此外，電動機會自動轉換成發電機，將車身運行產生的能量轉化為電能，儲存在蓄電池中。這樣一來，混合動力汽車能否更加安全快捷地充放電，成本預算，才是豐田要考慮的事情。首先，從安全角度來說，鎳氫電池使用的是不易燃的水溶液，不會出現鋰電池那樣的鋰析出。另一方面，鎳氫電池的比熱容、電解液蒸發和能量密度都比較高，即使在短路、爆胎等極端情況下，電池發熱也不太可能引起燃燒。此外，由于鎳氫電池不含有物質，主要成分為鎳和稀土，因此回收更安全，難度更小，回收程度更高。成本方面，有報告顯示，2010年以前，鎳氫電池的每瓦時電池成本與鎳氫電池相差無幾。所以在早期，鎳氫電池的使用量相對低于鋰離子電池。此外，由于混合動力系統的動力輸出合理，行駛過程中一般使用的電池容量在10%左右，極端情況下最大功耗只能達到40%，所以剩余60%的電池電量沒有使用。這種“淺充電”的電池管理方式可以大大延長電池壽命，充放電循環次數可以達到10000次以上。所以在長期的成本控制上，鎳氫電池相對更有優勢。此外，鎳氫電池技術相對成熟，產品質量控制難度大，成品率高，成本相對較低。從技術上講，鎳氫電池的快速充放電能力和穩定放電特性也適合混合動力汽車的工作模式。數據顯示，鎳氫電池充滿電后，每月會釋放25%-35%的電量，而鋰離子電池每月自放電率僅為5%-9%。鎳氫電池如果只在容量的40%-60%之間運行，可以充放電數萬次。普通鋰離子電池充放電循環在500次左右，鎳氫電池在2000次左右。在不考慮充電時間的情況下，鎳氫電池具有充放電快速、發熱量低、放電穩定的特點，更適合混合動力系統的工作模式。所以一向穩重的豐田選擇了更適合其混動技術的鎳氫電池。但是，豐田并沒有把整個生命線都放在鎳氫電池上。豐田在第四代普銳斯的高配版和插電版搭載的是鋰離子電池。為什么改用鋰電池(1)鎳氫電池受到限制。既然鎳氫電池可以滿足混合動力汽車的需求，為什么豐田又開始研究鋰電池了？有人說，當然是為了搶占純電動市場，其實不是，因為2006年，豐田并沒有公開說要布局純電動汽車。有句話叫逼。2006年，通用推出了純電動汽車EV1，但市場表現不如RAV4，于是將鎳氫電池的專利子公司Ovonics賣給了美國石油巨頭雪佛龍。隨后，雪佛龍起訴豐田、松下和PEVE ……r專利侵權。最后雙方達成和解，但結果是豐田不能在純電動汽車上使用鎳氫電池。所以豐田如果發展純電動，不能依賴鎳氫電池，這是一部分原因。(2)鎳氫電池的成本逐漸上升。此外，2010年鎳氫電池的成本開始高于鋰離子電池。成本驅動也是豐田轉型的關鍵因素。畢竟豐田一直認為鋰離子電池的高成本是阻礙其技術市場化的一大因素。因此，如果鋰離子電池技術有所突破，豐田將實現另一次突破。但轉型的基礎是在鋰離子電池技術領域的積累和發展決心。(3)鋰離子電池技術的前期積累豐田最早開發鋰離子電池技術，拉了松下。2008年，松下收購三洋電機，將其鋰電池、鎳氫電池、車載導航等業務“松下”，在豐田與松下合作的背景下，進一步增加了在鋰電池領域的技術儲備。同年年底，豐田成立了“電池研究部”，專注于鋰離子充電電池之外的新一代電池的研發。2009年，豐田汽車發言人PaulNolasco表示，該公司與日本東北大學共同開發了一項技術，可以使鋰離子電池儲存10倍于當時同類電池的電量——單晶鋰鈷氧化物的加工。使用單晶形式后，豐田可以減少石墨的使用量，產生電流的鋰離子有更多的存儲空間。但當時豐田仍然認為當時的鋰離子電池容量無法為全電驅動系統的車輛提供足夠的續航里程。當時豐田已經開始少量生產鋰離子電池。2010年，豐田章男投資5000萬美元購買了特斯拉3%的股份，并以4200美元的價格將加州MUMMT工廠賣給了特斯拉。合作的目的是為第二代RAV4 EV開發鋰離子電池系統。2010年，豐田鋰離子電池量產。時隔6年，在東京第七屆國際二次電池展覽會上，豐田展示了新款普銳斯使用的鋰離子電池組，PEVE負責電池和模塊的制造。日本靜岡縣大森工廠的部分生產線負責生產正極三元材料(鎳、鈷、錳)的鋰離子電池，預計年產能為20萬輛。這種電池是由2011年5月上市的普銳斯Alpha使用的電池改進而來。通過減小電池單元的尺寸，電池組的體積減少了6%。由于電池電芯的小型化，載流量從原產品的5.0Ah降低到3.3Ah，2018年PEVE宣布將新建HEV用鋰離子電池廠房，目標是2020年上半年將年產能擴大3倍至60萬臺。至此，在與各方合作的過程中，豐田在鋰離子電池上的技術也有了一定的積累。(4)豐田對鋰離子現有問題的改進豐田表示，將從2020年開始陸續推出10款純電動汽車，到2025年旗下所有車型都將有電動版本。然而，盡管鋰離子電池技術不斷升級，但鋰離子電池的安全性一直飽受詬病。一般情況下，鋰離子電解質溶液在80度以上會分解產生氣體膨脹，甚至導致爆炸或火災危險。要實現純電動汽車的銷售目標，豐田必須掌握更安全的技術。因此，為了解決鋰離子充放電過程中由于鋰離子偏移導致實際可用容量變小的問題。豐田發明了一種觀察法。該方法利用同步附著的高強度X射線實現了每像素0.65微米的高分辨率和每幀100毫秒的高速測量，可以觀測鋰離子的運動狀態。因為X射線很難穿透重金屬元素，所以當鋰離子與其結合時，我們可以通過觀察重金屬元素的運動來了解鋰離子的運動。通過這種方法，res……rchers可以觀察正負極、隔膜、電解液不同材料和結構引起的鋰離子運動，從而觀察不同材料、工藝、方法對提高電池性能的作用，也可以分析電池性能下降的機理，從而為提高車輛續航能力和電池壽命做出針對性的研究。雖然不能直接改變鋰離子移位的問題，但至少豐田可以了解鋰離子的運動規律，這也是解決這類問題的一大進步。但是很多公司嘗試將液態電解液改為固態電解液來解決鋰電池存在的問題，豐田也在這一領域進行了嘗試。因為全固態電池中的固體電解質即使在200度也具有不燃的阻燃性，可以承受80-150度的高溫。根據日本NEDO的研究數據，現有鋰離子電池組中電池的體積比大約為20%-50%。如果使用全固態電池，電池組不需要冷卻系統，體積可以縮小一半左右。此外，取消排氣和冷卻系統可以降低一些成本。因此，無論從性能、安全性還是成本來看，固態電池都成為了豐田的另一種選擇。豐田曾公開表示，計劃在2020年上半年實現固態電池的商業應用。目前，豐田在固態電池領域擁有252項專利，日本在該領域的專利占世界總量的75%。另一種技術嘗試:固態電池然而，早期開發的固態電池由于輸出密度和能量密度較低，與商用水平相差甚遠，主要問題是內阻增大。基于以上事實，豐田認為引起內阻升高的主要有四個問題:(1)在正負極的正極活性物質與固體電解質的界面處會有一層電阻層；(2)固體電解質層將變得更厚；(3)陽極和陰極中活性材料的聚集；(4)在構成陽極和陰極或電解質的固體顆粒之間會形成間隙。在這方面，豐田開發了降低全固態電池內阻的技術。首先，為了解決電阻層的問題，豐田的對策是將正極活性物質包覆起來形成保護層，防止電阻層的形成，但為了更高的導電性，豐田將包覆層控制在10nm左右。然而，固體電解質層的增厚將導致無法完成大規模生產的循環。主要是因為正極混合材料、固體電解質和負極混合材料以干粉狀態混合，依次放入圓筒形容器中，插入作為集流體的不銹鋼板中，上下擰緊加壓。在運行過程中，干粉會飛蓬松，無法高速運行。為了解決這個問題，豐田取消了濕法工藝來提煉原材料。將干燥的粉末分散在溶劑中以制備漿料，將其涂布在箔上，然后干燥。正極、固體電解質和負極層分別通過干燥和溶劑去除形成。以這種方式，正極和負極材料以及固體電解質在它們各自的漿料中與粘合劑混合。顆粒緊密結合的同時，顆粒也牢固的固定在箔片上，運輸過程中不會出現回收制作困難的問題。但是前面提到的正負極活性物質的凝集會降低活性物質的表面積，而活性物質通過與電解質顆粒或導電添加劑的表面接觸來交換鋰離子和電子。如果表面積減小，鋰離子和電子的電導率就會降低。對此，豐田的方法是將漿料階段的活性物質均勻分散，防止凝集。另一方面，正負電極之間的間隙導致的問題是Li離子和電子的導電性降低，這是通過電極的致密化和電極的加壓來實現的。基于上述技術，豐田將全固態電池的體積功率密度提升至近2.5kW/L，體積能量密度提升至400wh/L，相當于2010年前后鋰離子電池水平的兩倍。雖然豐田在能量密度上領先一步，但一個不容忽視的問題是，豐田選用的硫化物會因工藝操作不當而產生硫化氫，劇易爆炸。所以在安全性上，很難保證。根據我從NE時代慧能科技了解到的情況，豐田為了避免這樣的問題，選擇在硫化物中加入一些氧化物，但是在量產方面，商業化還有待研究。然而，在固態電池方面，豐田已經宣布計劃在2020年東京奧運會上推出其配備固態電池的純電動演示車。對于固態電池的不同路線，龍頭企業豐田還處于商業化階段，實現產業化尚需時日。無論是從鎳氫電池到鋰離子電池，還是豐田投放市場的Mirai未來組合搭載的固態電池、氫燃料電池，豐田對電池業務的整體布局都傾向于在“穩定”的基礎上嘗試更多的可能性。所以，無論未來風吹向哪里，豐田都能迎頭趕上，甚至掀起一股浪潮。

標簽：豐田特斯拉世紀卡羅拉凱美瑞

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