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丰田电池局:多技术路线并进

NE时代

镍氢电池到锂离子电池、固态电池,还有丰田已经投放市场的Mirai搭载的氢燃料电池,丰田在“稳”的基础上尝试更多的可能性。所以无论未来风吹向哪里,丰田都能赶上,甚至能凭技术带起一股风潮。

马斯克一直对外界表示:固态电池并不是动力电池的未来,而氢燃料更是“蠢得令人难以置信”。

而丰田却坚持:我们不会放弃氢电力燃料电池技术。

相比于马斯克的决绝,丰田在动力电池行业,似乎更愿意尝试多种可能。

从镍氢电池开始,丰田从上个世纪就开始布局电池业务。

丰田为什么如此钟情于镍氢电池

但是有一个规律是,丰田一直没放弃镍氢电池。

一向以混合动力技术见长的丰田,最先开始着手的是适用于油电混合车使用的镍氢电池。

第一代普锐斯,搭载的就是PEVE生产的圆柱形镍氢电池,产自日本爱知县的丰田工厂里。

等到第二代普锐斯上市,圆柱电池就被换成了方形镍氢电池,丰田称是为了优化电池包内部空间,提升系统能量密度。

但是无论是圆柱还是方形,从1997年第一代普锐斯到如今的卡罗拉凯美瑞,丰田都一直这么钟情于镍氢电池。

为什么呢?主要原因还是因为丰田独有的混动技术。

目前,丰田推出的车型中,主要车型为油电混合车。

对于油电混合车来说,电池最主要的工作不是续航里程,而是配合电机辅助发动机达到最佳状态,两者结合省油控制成本才是关键。

油电混合车在运行过程中,发动机的作用是在高速状态下保持平稳运行,而电动机工作时间主要在启动阶段和低速行驶阶段,此外电动机还会自动转化为发电机将车身运转所产生的能量转化为电能储存在电池中。

这样一来,油电混合车在行驶过程中能否更安全、快速充放电以及成本预算才是丰田要考虑的事情。

首先从安全性来看,镍氢电池采用的是不可燃的水溶液,不会出现像锂电池那样析锂现象。

另一方面,镍氢电池的比热容、电解液蒸发相对较高、能量密度较低,即使发生短路、刺穿等极端情况,电池升温也不大会引起燃烧。

此外因为镍氢电池不含剧毒物质,主要成分为镍、稀土,回收起来比较安全,难度较小,回收再利用程度比较高。

成本上来看,有报告显示,在2010年之前,镍氢电池每瓦时电池成本几乎是与镍氢电池持平的。

所以在早期来看,使用镍氢电池相对来说成本是比锂离子电池低的。

此外,由于混合动力系统在合理动力输出下,行驶过程中一般用到的电池容量在10%左右,极端情况下最大用电量也只能到40%,所以电池剩下60%电量是用不到的。

这种“浅充电”的电池管理方式能极大延长电池寿命,充放电循环次数可到10000次以上。所以在长期成本控制上,镍氢电池相对来说很有优势。

此外,镍氢电池技术相对较成熟,产品质量控制难度低,良品率较高,成本相对较低。

技术上来看,镍氢电池快速充放电能力及放电平稳的特性也适合混动动力车的工作模式。

有数据显示,在满电存放的情况下,镍氢电池每月电量会自行释放25%-35%,而锂离子电池每月自放电率只有5%-9%。镍氢电池如果只在容量的40%-60%之间来进行,可以充放电上万次。普通锂离子电池充放周期在500次左右,镍氢电池大概两千次左右。

在无需考虑充电时间的情况下,镍氢电池具备快速充放电和发热量小、放电平稳的特性比较适合混合动力系统的工作方式。

所以,一向稳健的丰田选择了更适合与其混动技术配套的镍氢电池。

但是,丰田并没有把整个生命线全放在镍氢电池上面,丰田在第四代普锐斯高配版及插电版搭载的就是锂离子电池。

为何转战锂电池

(1)镍氢电池被限制

既然镍氢电池能满足油电混动车的需求,为什么丰田又开始研究锂电池了呢?

有人说,当然是为了抢占纯电动市场,其实不然,因为2006年丰田还没公开说要布局纯电动车。

有一种说法是,被逼的。

2006年通用推出纯电动汽车EV1,但是市场表现不如RAV4,所以就将其持有的镍氢电池专利子公司Ovonics卖给美国石油巨头雪佛龙。随后,雪佛龙起诉丰田、松下及PEVE侵犯专利诉讼。

最后,双方达成和解,但结果是丰田不能在纯电动车上使用镍氢电池。

所以如果丰田发展纯电动,就不能依靠镍氢电池了,这是一部分原因。

(2)镍氢电池成本逐渐走高

此外,2010年镍氢电池成本开始高于锂离子电池。

成本驱动也是丰田进行转型的一个关键因素,毕竟丰田一直认为锂离子电池的高成本是阻碍其技术市场化的重大因素,所以如果在锂离子电池技术上有突破,丰田也算是实现另一个突破了。

不过,转型的底气还是在其锂离子电池技术领域的积淀和发展决心。

(3)锂离子电池技术的前期积淀

丰田最开始研发锂电池技术,拉上了松下。

2008年,松下通过收购三洋电机,将其锂电池、镍氢电池、汽车导航等业务 “松下化”,进一步增加了丰田和松下合作背景下在锂电池领域的技术储备。

同年下旬,丰田设立“电池研究部”,专注于研发超越锂离子充电电池的新一代电池。

2009年,丰田汽车发言人PaulNolasco表示,公司与日本东北大学共同研发了一项能使锂离子电池能储存10倍于当时同类电池的电量的技术——单晶体锂钴氧化物的加工。使用单晶形态后,丰田可以减少石墨的使用量,产生电流的锂离子有更大存储空间。

不过那个时候,丰田依旧认为,当时锂离子电池含电量无法为全电力驱动系统的车辆提供足够的续航里程。

彼时,丰田已经开始对锂离子电池进行少量生产。

2010年,丰田章男投资5000万美元购入特斯拉3%股份,又以4200美元的价格把加州的MUMMT工厂卖给特斯拉,合作目的就是为第二代RAV4 EV开发锂离子电池系统。

2010年,丰田锂离子电池实现量产。

时隔6年, “东京第7届国际二次电池展”上,丰田展示了新款“普锐斯”采用的锂离子电池单元,由PEVE负责电池和模块制造,日本静冈县的大森工厂部分生产线负责生产电池正极为三元系材料(镍、钴、锰)的锂离子电池,预计年产能可满足20万辆车使用。

该电池由2011年5月上市的“普锐斯α”采用的电池改进而来。通过削减电池单元的尺寸,将电池组容积减小了6%。因电池单元小型化,载流量由原产品的5.0Ah减至3.3Ah。

2018年,PEVE宣布将兴建HEV用锂离子电池新厂房,目标在2020年上半年将年产能扩增至现行的3倍至60万台。

至此,在与各方的合作过程中,丰田关于锂离子电池的技术也有一定的积淀。

(4)丰田针对锂离子现有问题作出的改善

丰田表示,要从2020年起陆续推出10款纯电动车型,到2025年要实现旗下所有车型都拥有电动化版本。

但是,尽管锂离子电池技术在不断升级,但是锂离子电池安全性问题一直饱受诟病。通常情况下,锂离子电解质溶液一般在80度以上就会分解产生气体膨胀,甚至导致爆炸或火灾危险。

要实现纯电动汽车销量目标,丰田必须掌握更安全的技术。

所以,针对锂离子充放电过程中发生的锂离子偏移导致的实际可用容量变小问题。丰田发明了一种观测方法。

该方法利用同步附属的高强度X射线,实现每像素0.65微米的高分辨率及每帧100毫秒的高速测量,可观察到锂离子运动状态。

由于X射线很难穿透重金属元素,所以当锂离子与其结合的时候,就可以通过观察重金属元素的运动来了解锂离子的运动。

通过这种方法,研发人员可以观察到正负极、隔膜、电解液材料与构造等不同所导致的锂离子运动,从而观察不同材料、工艺、方法对提高电池性能的作用,还可以分析电池性能降低的机理,为提高车辆续航及电池寿命做针对性研究。

虽然不能直接改变锂离子偏移的问题,但至少丰田能了解锂离子运动的规律,这对于解决该类问题也是一个比较大的进步。

但是很多企业,尝试把液体电解质改变成固态电解质来解决锂电池存在的问题,丰田也在此领域进行了尝试。

因为在全固态电池中的固态电解质,即使在200度的情况下,也具有无法燃烧的阻燃性,并且可以承受80-150度高温的耐热性。

据日本NEDO研究数据表明,现有的锂离子电池pack中电芯的体积比率大概为20%-50%,如果采用全固态电池,电池pack不需要冷却系统,体积能减小一半左右。

此外,刨去排气和冷却系统,能减少部分成本。

所以无论是从性能、安全和成本上考虑,固态电池成了丰田另一个选择。

丰田曾公开表示,计划在2020年前半阶段实现固态电池的商业化应用。目前丰田在固态电池领域的专利达252件,整个日本在该领域的专利占世界总量的75%。

另一种技术尝试:固态电池

但是,早期研发的固态电池由于输出密度和能量密度都很低,远远没有达到商业化水平,而主要问题就是内部阻抗上升。

基于以上事实,丰田认为,造成内部阻抗上升主要有4个问题:

(1)正负极的正级活性材料与固体电解质界面会产生电阻层;

(2)固体电解质层会变厚;

(3)正负极内的活性材料凝集;

(4)构成正负极或者电解质的固体颗粒之间会形成空隙。

对此,丰田进行了降低全固态电池的电芯内阻技术的研发。

首先针对电阻层的问题,丰田的对策是对正极活性物质进行涂覆,形成一层保护罩防止形成电阻层,但是为了更高的传导性,丰田将涂覆层控制在10nm左右。

而固体电解质层变厚,就会导致无法完成大量生产的循环。

主要是因为正极混合材料、固态电解质、负极混合材料分别在干粉状态下混合,被依次投入圆筒容器内,插入作为集电器的不锈钢板,上下拧紧螺丝加压。在运作过程中,干粉会蓬松乱飞,无法高速运转。

针对此问题,丰田祛湿法提炼原材料。用干燥的粉末在溶剂中分散制备成浆料,将浆料涂布在箔材上然后进行干燥,通过干燥去溶剂分别形成正极,固体电解质和负极层。

这样的话正负极材料及固体电解质在各自形成的浆料中,混合粘接剂。颗粒间紧密粘接的同时,粒子也被牢固地固定在箔材上,运输过程中不会发生难以循环生产的问题。

而此前提到的正负极活性物质凝集,会造成活性物质表面积减小,而活性材料是通过表面接触电解质颗粒或导电助剂来交换Li离子和电子,如果表面积减小,Li离子和电子导电性会降低。对此,丰田采用的方法是在浆料阶段就将活性物质进行均一分散,防止凝集。

另一方面,正负极间空隙所造成的的问题则是因为Li离子和电子导电性降低,这方面通过电极的电极的致密化以及对电极的加压来实现。

基于以上技术,丰田将全固态电池的体积功率密度提高到了近2.5kW/L,体积能量密度提高到400wh/L,相当于2010年左右锂离子电池2倍的水平。

虽然在能量密度上,丰田已经走在前列,但是,一个无法忽视的问题是,丰田选择的硫化物在制程过程中会因不当操作产生硫化氢,毒性高,并且容易爆炸。

所以在安全方面,难以保证。

据此前NE时代从辉能科技了解到,丰田为了规避此类问题,选择在硫化物里面加入部分氧化物,但是在量产上,目前商业化还有待考究。

但是在固态电池方面,丰田已经宣布计划在2020年东京奥运会上推出其搭载固态电池的纯电动示范车。

对于固态电池不同路线,丰田这样的走在前面的企业还在商业化阶段,实现产业化还需要时间。

不论是从镍氢电池到锂离子电池、固态电池,还是丰田已经投放市场的Mirai搭载的氢燃料电池,丰田在电池业务上的布局总体趋向于在“稳”的基础上尝试更多的可能性。所以无论未来风吹向哪里,丰田都能赶上,甚至带起一股风潮。

来源:NE时代

本文地址:https://www.d1ev.com/news/jishu/99531

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