豐田電池局：多技術(shù)并進(jìn)
時(shí)間:2019-09-18 11:41來源:NE時(shí)代 作者:Leon
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從鎳氫電池到鋰離子電池、固態(tài)電池，還有豐田已經(jīng)投放市場的Mirai搭載的氫燃料電池，豐田在“穩(wěn)”的基礎(chǔ)上嘗試更多的可能性。所以無論未來風(fēng)吹向哪里，豐田都能趕上，甚至能憑技術(shù)帶起一股風(fēng)潮。
馬斯克一直對外界表示：固態(tài)電池并不是動(dòng)力電池的未來，而氫燃料更是“蠢得令人難以置信”。
而豐田卻堅(jiān)持：我們不會(huì)放棄氫電力燃料電池技術(shù)。
相比于馬斯克的決絕，豐田在動(dòng)力電池行業(yè)，似乎更愿意嘗試多種可能。
從鎳氫電池開始，豐田從上個(gè)世紀(jì)就開始布局電池業(yè)務(wù)。
豐田為什么如此鐘情于鎳氫電池
但是有一個(gè)規(guī)律是，豐田一直沒放棄鎳氫電池。
一向以混合動(dòng)力技術(shù)見長的豐田，最先開始著手的是適用于油電混合車使用的鎳氫電池。
第一代普銳斯，搭載的就是PEVE生產(chǎn)的圓柱形鎳氫電池，產(chǎn)自日本愛知縣的豐田工廠里。
等到第二代普銳斯上市，圓柱電池就被換成了方形鎳氫電池，豐田稱是為了優(yōu)化電池包內(nèi)部空間，提升系統(tǒng)能量密度。
但是無論是圓柱還是方形，從1997年第一代普銳斯到如今的卡羅拉、凱美瑞，豐田都一直這么鐘情于鎳氫電池。
為什么呢?主要原因還是因?yàn)樨S田獨(dú)有的混動(dòng)技術(shù)。
目前，豐田推出的車型中，主要車型為油電混合車。
對于油電混合車來說，電池最主要的工作不是續(xù)航里程，而是配合電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳狀態(tài)，兩者結(jié)合省油控制成本才是關(guān)鍵。
油電混合車在運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的作用是在高速狀態(tài)下保持平穩(wěn)運(yùn)行，而電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間主要在啟動(dòng)階段和低速行駛階段，此外電動(dòng)機(jī)還會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)將車身運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中。
這樣一來，油電混合車在行駛過程中能否更安全、快速充放電以及成本預(yù)算才是豐田要考慮的事情。
首先從安全性來看，鎳氫電池采用的是不可燃的水溶液，不會(huì)出現(xiàn)像鋰電池那樣析鋰現(xiàn)象。
另一方面，鎳氫電池的比熱容、電解液蒸發(fā)相對較高、能量密度較低，即使發(fā)生短路、刺穿等極端情況，電池升溫也不大會(huì)引起燃燒。
此外因?yàn)殒嚉潆姵夭缓瑒《疚镔|(zhì)，主要成分為鎳、稀土，回收起來比較安全，難度較小，回收再利用程度比較高。
成本上來看，有報(bào)告顯示，在2010年之前，鎳氫電池每瓦時(shí)電池成本幾乎是與鎳氫電池持平的。
所以在早期來看，使用鎳氫電池相對來說成本是比鋰離子電池低的。
此外，由于混合動(dòng)力系統(tǒng)在合理動(dòng)力輸出下，行駛過程中一般用到的電池容量在10%左右，極端情況下最大用電量也只能到40%，所以電池剩下60%電量是用不到的。
這種“淺充電”的電池管理方式能極大延長電池壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可到10000次以上。所以在長期成本控制上，鎳氫電池相對來說很有優(yōu)勢。
此外，鎳氫電池技術(shù)相對較成熟，產(chǎn)品質(zhì)量控制難度低，良品率較高，成本相對較低。
技術(shù)上來看，鎳氫電池快速充放電能力及放電平穩(wěn)的特性也適合混動(dòng)動(dòng)力車的工作模式。
有數(shù)據(jù)顯示，在滿電存放的情況下，鎳氫電池每月電量會(huì)自行釋放25%-35%，而鋰離子電池每月自放電率只有5%-9%。鎳氫電池如果只在容量的40%-60%之間來進(jìn)行，可以充放電上萬次。普通鋰離子電池充放周期在500次左右，鎳氫電池大概兩千次左右。
在無需考慮充電時(shí)間的情況下，鎳氫電池具備快速充放電和發(fā)熱量小、放電平穩(wěn)的特性比較適合混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作方式。
所以，一向穩(wěn)健的豐田選擇了更適合與其混動(dòng)技術(shù)配套的鎳氫電池。
但是，豐田并沒有把整個(gè)生命線全放在鎳氫電池上面，豐田在第四代普銳斯高配版及插電版搭載的就是鋰離子電池。
為何轉(zhuǎn)戰(zhàn)鋰電池
(1)鎳氫電池被限制
既然鎳氫電池能滿足油電混動(dòng)車的需求，為什么豐田又開始研究鋰電池了呢?
有人說，當(dāng)然是為了搶占純電動(dòng)市場，其實(shí)不然，因?yàn)?006年豐田還沒公開說要布局純電動(dòng)車。
有一種說法是，被逼的。
2006年通用推出純電動(dòng)汽車EV1，但是市場表現(xiàn)不如RAV4，所以就將其持有的鎳氫電池專利子公司Ovonics賣給美國石油巨頭雪佛龍。隨后，雪佛龍起訴豐田、松下及PEVE侵犯專利訴訟。
最后，雙方達(dá)成和解，但結(jié)果是豐田不能在純電動(dòng)車上使用鎳氫電池。
所以如果豐田發(fā)展純電動(dòng)，就不能依靠鎳氫電池了，這是一部分原因。
(2)鎳氫電池成本逐漸走高
此外，2010年鎳氫電池成本開始高于鋰離子電池。
成本驅(qū)動(dòng)也是豐田進(jìn)行轉(zhuǎn)型的一個(gè)關(guān)鍵因素，畢竟豐田一直認(rèn)為鋰離子電池的高成本是阻礙其技術(shù)市場化的重大因素，所以如果在鋰離子電池技術(shù)上有突破，豐田也算是實(shí)現(xiàn)另一個(gè)突破了。
不過，轉(zhuǎn)型的底氣還是在其鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域的積淀和發(fā)展決心。
(3)鋰離子電池技術(shù)的前期積淀
豐田最開始研發(fā)鋰電池技術(shù)，拉上了松下。
2008年，松下通過收購三洋電機(jī)，將其鋰電池、鎳氫電池、汽車導(dǎo)航等業(yè)務(wù) “松下化”，進(jìn)一步增加了豐田和松下合作背景下在鋰電池領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備。
同年下旬，豐田設(shè)立“電池研究部”，專注于研發(fā)超越鋰離子充電電池的新一代電池。
2009年，豐田汽車發(fā)言人PaulNolasco表示，公司與日本東北大學(xué)共同研發(fā)了一項(xiàng)能使鋰離子電池能儲(chǔ)存10倍于當(dāng)時(shí)同類電池的電量的技術(shù)——單晶體鋰鈷氧化物的加工。使用單晶形態(tài)后，豐田可以減少石墨的使用量，產(chǎn)生電流的鋰離子有更大存儲(chǔ)空間。
不過那個(gè)時(shí)候，豐田依舊認(rèn)為，當(dāng)時(shí)鋰離子電池含電量無法為全電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車輛提供足夠的續(xù)航里程。
彼時(shí)，豐田已經(jīng)開始對鋰離子電池進(jìn)行少量生產(chǎn)。
2010年，豐田章男投資5000萬美元購入特斯拉3%股份，又以4200美元的價(jià)格把加州的MUMMT工廠賣給特斯拉，合作目的就是為第二代RAV4 EV開發(fā)鋰離子電池系統(tǒng)。
2010年，豐田鋰離子電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
時(shí)隔6年， “東京第7屆國際二次電池展”上，豐田展示了新款“普銳斯”采用的鋰離子電池單元，由PEVE負(fù)責(zé)電池和模塊制造，日本靜岡縣的大森工廠部分生產(chǎn)線負(fù)責(zé)生產(chǎn)電池正極為三元系材料(鎳、鈷、錳)的鋰離子電池，預(yù)計(jì)年產(chǎn)能可滿足20萬輛車使用。
該電池由2011年5月上市的“普銳斯α”采用的電池改進(jìn)而來。通過削減電池單元的尺寸，將電池組容積減小了6%。因電池單元小型化，載流量由原產(chǎn)品的5.0Ah減至3.3Ah。
2018年，PEVE宣布將興建HEV用鋰離子電池新廠房，目標(biāo)在2020年上半年將年產(chǎn)能擴(kuò)增至現(xiàn)行的3倍至60萬臺(tái)。
至此，在與各方的合作過程中，豐田關(guān)于鋰離子電池的技術(shù)也有一定的積淀。
(4)豐田針對鋰離子現(xiàn)有問題作出的改善
豐田表示，要從2020年起陸續(xù)推出10款純電動(dòng)車型，到2025年要實(shí)現(xiàn)旗下所有車型都擁有電動(dòng)化版本。
但是，盡管鋰離子電池技術(shù)在不斷升級，但是鋰離子電池安全性問題一直飽受詬病。通常情況下，鋰離子電解質(zhì)溶液一般在80度以上就會(huì)分解產(chǎn)生氣體膨脹，甚至導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)危險(xiǎn)。
要實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車銷量目標(biāo)，豐田必須掌握更安全的技術(shù)。
所以，針對鋰離子充放電過程中發(fā)生的鋰離子偏移導(dǎo)致的實(shí)際可用容量變小問題。豐田發(fā)明了一種觀測方法。
該方法利用同步附屬的高強(qiáng)度X射線，實(shí)現(xiàn)每像素0.65微米的高分辨率及每幀100毫秒的高速測量，可觀察到鋰離子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
由于X射線很難穿透重金屬元素，所以當(dāng)鋰離子與其結(jié)合的時(shí)候，就可以通過觀察重金屬元素的運(yùn)動(dòng)來了解鋰離子的運(yùn)動(dòng)。
通過這種方法，研發(fā)人員可以觀察到正負(fù)極、隔膜、電解液材料與構(gòu)造等不同所導(dǎo)致的鋰離子運(yùn)動(dòng)，從而觀察不同材料、工藝、方法對提高電池性能的作用，還可以分析電池性能降低的機(jī)理，為提高車輛續(xù)航及電池壽命做針對性研究。
雖然不能直接改變鋰離子偏移的問題，但至少豐田能了解鋰離子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，這對于解決該類問題也是一個(gè)比較大的進(jìn)步。
但是很多企業(yè)，嘗試把液體電解質(zhì)改變成固態(tài)電解質(zhì)來解決鋰電池存在的問題，豐田也在此領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試。
因?yàn)樵谌虘B(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)，即使在200度的情況下，也具有無法燃燒的阻燃性，并且可以承受80-150度高溫的耐熱性。
據(jù)日本NEDO研究數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有的鋰離子電池pack中電芯的體積比率大概為20%-50%，如果采用全固態(tài)電池，電池pack不需要冷卻系統(tǒng)，體積能減小一半左右。
此外，刨去排氣和冷卻系統(tǒng)，能減少部分成本。
所以無論是從性能、安全和成本上考慮，固態(tài)電池成了豐田另一個(gè)選擇。
豐田曾公開表示，計(jì)劃在2020年前半階段實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。目前豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域的專利達(dá)252件，整個(gè)日本在該領(lǐng)域的專利占世界總量的75%。
另一種技術(shù)嘗試：固態(tài)電池
但是，早期研發(fā)的固態(tài)電池由于輸出密度和能量密度都很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到商業(yè)化水平，而主要問題就是內(nèi)部阻抗上升。
基于以上事實(shí)，豐田認(rèn)為，造成內(nèi)部阻抗上升主要有4個(gè)問題：
(1)正負(fù)極的正級活性材料與固體電解質(zhì)界面會(huì)產(chǎn)生電阻層；
(2)固體電解質(zhì)層會(huì)變厚;
(3)正負(fù)極內(nèi)的活性材料凝集;
(4)構(gòu)成正負(fù)極或者電解質(zhì)的固體顆粒之間會(huì)形成空隙。
對此，豐田進(jìn)行了降低全固態(tài)電池的電芯內(nèi)阻技術(shù)的研發(fā)。
首先針對電阻層的問題，豐田的對策是對正極活性物質(zhì)進(jìn)行涂覆，形成一層保護(hù)罩防止形成電阻層，但是為了更高的傳導(dǎo)性，豐田將涂覆層控制在10nm左右。
而固體電解質(zhì)層變厚，就會(huì)導(dǎo)致無法完成大量生產(chǎn)的循環(huán)。
主要是因?yàn)檎龢O混合材料、固態(tài)電解質(zhì)、負(fù)極混合材料分別在干粉狀態(tài)下混合，被依次投入圓筒容器內(nèi)，插入作為集電器的不銹鋼板，上下擰緊螺絲加壓。在運(yùn)作過程中，干粉會(huì)蓬松亂飛，無法高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
針對此問題，豐田祛濕法提煉原材料。用干燥的粉末在溶劑中分散制備成漿料，將漿料涂布在箔材上然后進(jìn)行干燥，通過干燥去溶劑分別形成正極，固體電解質(zhì)和負(fù)極層。
這樣的話正負(fù)極材料及固體電解質(zhì)在各自形成的漿料中，混合粘接劑。顆粒間緊密粘接的同時(shí)，粒子也被牢固地固定在箔材上，運(yùn)輸過程中不會(huì)發(fā)生難以循環(huán)生產(chǎn)的問題。
而此前提到的正負(fù)極活性物質(zhì)凝集，會(huì)造成活性物質(zhì)表面積減小，而活性材料是通過表面接觸電解質(zhì)顆�；�?qū)щ娭鷦﹣斫粨QLi離子和電子，如果表面積減小，Li離子和電子導(dǎo)電性會(huì)降低。對此，豐田采用的方法是在漿料階段就將活性物質(zhì)進(jìn)行均一分散，防止凝集。
另一方面，正負(fù)極間空隙所造成的的問題則是因?yàn)長i離子和電子導(dǎo)電性降低，這方面通過電極的電極的致密化以及對電極的加壓來實(shí)現(xiàn)。
基于以上技術(shù)，豐田將全固態(tài)電池的體積功率密度提高到了近2.5kW/L，體積能量密度提高到400wh/L，相當(dāng)于2010年左右鋰離子電池2倍的水平。
雖然在能量密度上，豐田已經(jīng)走在前列，但是，一個(gè)無法忽視的問題是，豐田選擇的硫化物在制程過程中會(huì)因不當(dāng)操作產(chǎn)生硫化氫，毒性高，并且容易爆炸。
所以在安全方面，難以保證。
據(jù)此前從輝能科技了解到，豐田為了規(guī)避此類問題，選擇在硫化物里面加入部分氧化物，但是在量產(chǎn)上，目前商業(yè)化還有待考究。
但是在固態(tài)電池方面，豐田已經(jīng)宣布計(jì)劃在2020年東京奧運(yùn)會(huì)上推出其搭載固態(tài)電池的純電動(dòng)示范車。
對于固態(tài)電池不同路線，豐田這樣的走在前面的企業(yè)還在商業(yè)化階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要時(shí)間。
不論是從鎳氫電池到鋰離子電池、固態(tài)電池，還是豐田已經(jīng)投放市場的Mirai搭載的氫燃料電池，豐田在電池業(yè)務(wù)上的布局總體趨向于在“穩(wěn)”的基礎(chǔ)上嘗試更多的可能性。所以無論未來風(fēng)吹向哪里，豐田都能趕上，甚至帶起一股風(fēng)潮。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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