丰田固态电池计划2025年量产,但面临多重挑战

如果所有的事情都按照原来的计划进行,那么东京现在应该在举行夏季奥运会,而作为这次奥运会主要赞助商之一的丰田汽车将是活动的焦点,这家车企将展示下一代电动出行领域的重要技术:固态电池。

新冠疫情可能破坏了2020年东京奥运会的计划,但丰田的工程师却没有受到影响。这家公司的电池专家已经按照计划成功制造出固态电池的样品,而且已经安装到概念车上。

丰田动力系统公司执行副总裁兼电池业务总经理Keiji Kaita表示,由于东京奥运会被推迟到2021年,现在还无法确定样车何时正式亮相。Kaita谈论了这种固态电池技术的前景以及阻碍其商业化的障碍。

对固态电池持支持态度的人士认为,这种电池是迈向电动化未来的重要一步。固态电池组不容易受极端温度的影响,其能量密度有望达到目前锂离子电池的两至三倍。

固态电池用固体电解质替代液体电解质,并且有望比现在的电池更轻、寿命更长、更安全,价格比目前市面上的电池更便宜。Kaita说,试验的固态电池样品的充电速度比目前的锂离子电池快得多。

不过丰田的固态电池样品仍然面临一些挑战。首先,由于安全和耐用性问题,工程师们尚未利用电池的真正潜力来提高能量密度。

Kaita说:“为了克服各种局限性,我们正在研究如何调整阳极或其他材料。对于发现的不足之处,我们正在努力避免。”

固态电池的样品是坚硬的板状薄片,尺寸和厚度与螺旋笔记簿差不多。研究人员将电池密封在袋子里面以便防潮,然后排列成电池组。

Kaita说,样品电池进行充电时,从零到充满需要的时间不到15分钟,耗时大幅低于容量相同的锂离子电池充电所需要的时间,这是除了高能量密度外的另一个优势。

丰田正专注于使用基于硫的电解质,因为这种电解质似乎可以让锂离子在电极之间更有效地转移,不过仍然存在的挑战是,需要开发一种电解质,既可以紧密地压实,又能保持柔韧性。

固体电解质需要在高压下压实,从而减小颗粒之间的间隙,以便离子和电子可以很容易通过,但是这种电解质还需要具有柔韧性,因为阳极在放电过程中会膨胀和收缩,所以电解质必须留一点空间。

其中的问题在于,膨胀和收缩的空间越大,电解质颗粒变形的可能性就越大。随着时间的推移,这种变形会抑制离子和电子的流动并降低电池的性能。这其中的关键是开发一种不会轻易变形的材料。Kaita说,通过新材料或新设计可能实现突破。

这种固态电池的制造过程也存在挑战,特别是电池必须在超干燥的非水环境中生产。

现在,这些固态电池是在一个名为手套箱的透明盒子中制造,工人们通过紧密嵌在盒子上的橡胶手套将手伸入箱子里面。因此,这种固态电池的生产过程缓慢,无法进行大规模生产。

丰田汽车正在通过该公司与松下合资的Prime Planet Energy&Solutions Inc.开发这种固态电池,这家合资公司在4月份开始运营,现在有大约5100名员工,其中包括中国子公司的2400名员工。

这家合资企业的任务之一是制造和销售汽车固态电池。Kaita说,丰田仍有望在2025年实现有限数量的生产。

由于生产规模较小,这些固态电池最初的成本将高于锂离子电池。他推测,在最初生产的几年里,这种固态电池的产量将保持在非常低的水平。他说,要想与内燃机动力系统竞争,这种电池的成本必须降到远低于每千瓦时100美元的水平。

丰田的目标是,这种电池经过较长时间(可能是30年)的使用后,仍然能够保持90%的原始性能,这让该电池的研发过程变得更加复杂。

Kaita说:“这可以通过调整电池的性能来实现,也可以通过控制系统或冷却系统来实现,或者我们使用电池的方式或充电的方式可能帮助实现这个目标,整体的观点非常重要。”