隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展,電動汽車的續(xù)駛里程和安全越來越受到人們的關注,而這些特性都集中體現(xiàn)在動力電池上。如果說鋰離子電池打開了電動汽車時代的大門,那么固態(tài)電池或許能讓電動汽車的發(fā)展再上一個新臺階。作為全球數(shù)一數(shù)二的車企,豐田汽車日前宣布,到2030年將投資1.5萬億日元(約合人民幣881億元),用于車用動力電池的研發(fā)、生產(chǎn)和配裝。其中,研發(fā)層面的投資額為5000億日元,用于將動力電池的成本削減一半,并打造新型鋰離子電池,包括固態(tài)電池。在豐田大舉投資加快研發(fā)的同時,寶馬、福特、大眾等跨國車企也在積極投資固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè),全球固態(tài)電池領域的競爭進一步升溫。
日系車企大手筆促自研
眾所周知,豐田在電動化領域可謂“不走尋常路”,當海外競爭對手大眾集團、戴姆勒、寶馬、通用汽車、福特,以及日本本土同行日產(chǎn)、本田等汽車廠商競相轉向純電動技術路線時,豐田依然不緊不慢,保持著自己的步調。
在豐田的電動化戰(zhàn)略中,油電混合動力車占據(jù)了相當大的比重。豐田于1997年推出了全球首款量產(chǎn)混合動力車——普銳斯,截至目前,旗下混合動力車累計銷量已經(jīng)突破1800萬輛。該公司此前預測,到2030年,豐田電氣化車輛的年銷量將達到800萬輛,其中200萬輛為純電動車和氫燃料電池車。也就是說,現(xiàn)階段豐田的電動化轉型仍以混動為主。
雖然豐田在電動化領域轉型遲緩招致一些批評之聲,但從現(xiàn)實的角度來看,混動技術正源源不斷地為豐田提供現(xiàn)金流。實際上,展望未來,豐田一直在為發(fā)力純電動進行技術儲備。當前,鋰電池技術是純電動汽車的主流,而豐田正在抓緊研發(fā),目標是在2030年之前提供升級版的新型鋰離子電池,主要路徑包括:液態(tài)電池的材料進化、電池結構革新、全固態(tài)電池。
其中,豐田對于固態(tài)電池的研發(fā)已持續(xù)多年,并取得了一些階段性進展。歐洲專利局與國際能源署此前發(fā)布的一份報告顯示,豐田10余年來一直在研發(fā)下一代電池,2014~2018年,豐田提交的固態(tài)電池專利申請數(shù)量一直位居榜首。去年4月,豐田與松下成立了一家電池合資公司,核心業(yè)務之一就是固態(tài)電池。在日本,配裝豐田全固態(tài)電池的電動汽車于去年8月正式取得牌照,開啟路試。為了解決電池循環(huán)壽命短的問題,豐田還表示,今后將繼續(xù)研究、開發(fā)固體電解質材料。豐田首席技術官前田正彥表示,豐田十分看好固態(tài)電池的前景,預計在2025年之前將下一代電池投入實際應用。
在此次大手筆的電池投資規(guī)劃中,豐田釋放出一個信號,那就是加碼純電動技術,而固態(tài)電池將是豐田發(fā)展純電動技術的一個重要籌碼。傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的能量密度上限被公認為是300Wh/kg,而固態(tài)電池理論上的能量密度可達700Wh/kg,且安全性高、循環(huán)壽命長,成為未來鋰電池的主要發(fā)展方向之一。固態(tài)電池主要用于純電動車,而前田正彥指出,如果工程師能在功率輸出的穩(wěn)定性方面找到平衡,那么豐田考慮將固態(tài)電池的應用延伸到混動車上。
事實上,不少人認為,與大眾、戴姆勒等企業(yè)相比,豐田設置的電動汽車銷量目標過于保守,但日本東海綜合研究所高級分析師杉浦誠司表示,豐田可能做出了正確的決定,因為這種策略可以為其爭取一些時間,使之專注于開發(fā)和量產(chǎn)固態(tài)電池,而固態(tài)電池有望帶動電動汽車產(chǎn)業(yè)取得新的突破。彭博新能源財經(jīng)曾發(fā)布一份報告稱,如果固態(tài)電池全面投產(chǎn),其生產(chǎn)成本可能是目前鋰離子電池的40%。
除了豐田外,本田也在社長三部敏宏的領導下加快了對固態(tài)電池的研發(fā),計劃今年晚些時候嘗試啟動示范生產(chǎn)線,并希望在2025~2030年將固態(tài)電池配裝在量產(chǎn)車上。另外,日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)此前曾網(wǎng)羅數(shù)十家日本車企、電池廠商、材料廠商、大學、研究機構等,共同開展固態(tài)電池領域相關基礎研究。
歐美車企押寶“潛力股”
與日系車企堅持自主研發(fā)相比,歐美車企更青睞通過押寶固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)的方式,來掌控這項技術。例如,Solid Power是一家位于美國科羅拉多州的固態(tài)電池初創(chuàng)公司,專注于固態(tài)電池的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。早在2017年,寶馬和福特宣布投資Solid Power,并于今年進一步擴大投資。去年10月,Solid Power宣布其第一代全固態(tài)鋰金屬軟包電池開始進入量產(chǎn),能量密度達到320Wh/kg。
在寶馬和福特的支持下,Solid Power日前宣布,將在美國科羅拉多州建設第二座工廠,新工廠將擴大全固態(tài)電池關鍵材料的產(chǎn)能,包括每年生產(chǎn)多達30噸的硫化物基固體電解質材料,較目前的產(chǎn)能增加20多倍。按計劃,寶馬和福特將在2022年向其采購全固態(tài)電池,并在試驗車上進行測試。Solid Power還有意借殼上市,該公司首席執(zhí)行官道格·坎貝爾稱,通過合作與融資,Solid Power爭取盡快將固態(tài)電池技術應用在電動汽車上。另外,現(xiàn)代汽車和三星集團旗下風投機構也參與過對Solid Power的投資。
與之相比,另一家固態(tài)電池領域的“明星”企業(yè)QuantumScape則得到了大眾集團、上汽集團、比爾·蓋茨等知名企業(yè)和商界人士的支持,并于去年實現(xiàn)借殼上市。大眾集團是其大股東,于2018年向其注資1億美元,去年宣布追加2億美元投資。今年5月,QuantumScape與大眾集團達成協(xié)議,計劃于年底前選定雙方合資的固態(tài)電池試點工廠,目標是在2024年之前建立一條生產(chǎn)線,使得大眾能在2025年推出配裝固態(tài)電池的電動汽車。
據(jù)悉,工廠很可能會選址在德國薩爾茨基特,這里也是大眾集團的電池生產(chǎn)基地之一。據(jù)今年3月大眾集團“電池日”透露的信息,大眾集團正在布局磷酸鐵鋰電池、高錳三元鋰電池、鎳鈷錳三元電池以及固態(tài)電池。不過,在大眾看來,固態(tài)電池才是未來車輛動力電池的終極形態(tài),2025年之后可以投入應用。
除了大眾集團外,QuantumScape近日向美國證券交易委員會(SEC)披露的一份文件顯示,其剛剛與一家營收排名全球前10的整車企業(yè)簽訂了合作協(xié)議,將合作評估固態(tài)電池原型,并供應相關產(chǎn)品。
2025~2030年商業(yè)化可期
雖然固態(tài)電池性能優(yōu)異,但技術門檻也很高,業(yè)內普遍認為,固態(tài)電池大規(guī)模商業(yè)化應用還需時日。寧德時代此前坦言,公司已在固態(tài)電池領域進行了多年研究,但現(xiàn)階段全固態(tài)電池仍有不少技術難題未解,例如固態(tài)擴散和液態(tài)擴散難度不是一個數(shù)量級,沒徹底解決之前很難從根本上做好固態(tài)電池。“公司研發(fā)固態(tài)電池已有多年,處于國內第一梯隊,可做出固態(tài)電池樣品,但相關指標離商業(yè)化應用還有較長距離。”寧德時代有關人士表示。
“據(jù)我們的觀察,沒有哪家電池生產(chǎn)商或汽車制造商不關注固態(tài)電池的。”德國弗勞恩霍夫協(xié)會系統(tǒng)與創(chuàng)新研究所高級科學家克里斯托弗·尼孚表示,“像豐田這樣的公司已經(jīng)具備了一些優(yōu)勢,因為他們已經(jīng)進行了很長時間的內部研發(fā),而且可能已經(jīng)知道要構建怎樣的供應鏈了。”不過,豐田并沒有那么樂觀,前田正彥指出:“技術瓶頸依然不少,由于固態(tài)電池不使用電解液,離子導電率大幅降低,且固態(tài)電解質界面接觸性較差。我們希望能一一攻克這些難題。”
另外,就在今年1月,中國造車新勢力企業(yè)之一——蔚來汽車宣布,其計劃2022年推出的新車將搭載150kWh固態(tài)電池,從而使得續(xù)駛里程達到1000公里。不過,這更像是一個噱頭,蔚來要使用的固態(tài)電池,準確地說應該是半固態(tài)電池,仍帶有液態(tài)電解質,與豐田、本田等企業(yè)正在研發(fā)的全固態(tài)電池并不是一回事。
美國GuidehouseInsights能源咨詢公司首席分析師薩姆·阿布薩米德指出,固態(tài)電池最大的問題是其至今仍未走出實驗室階段,量產(chǎn)難度較大。對于固態(tài)電池在量產(chǎn)車上的應用,不少車企將時間節(jié)點設定為2025年及之后,例如現(xiàn)代汽車和寶馬計劃在2030年前為量產(chǎn)車配裝固態(tài)電池。
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