全球范圍內(nèi)關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，電動(dòng)汽車(chē)是交通脫碳的關(guān)鍵。日本能否通過(guò)下一代全固態(tài)電池技術(shù)掌握主動(dòng)權(quán)？
全球主要汽車(chē)制造商關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)售策略和車(chē)載電池的開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略都逐步清晰。
德國(guó)大眾于2021年4月宣布，到2030年，其在歐洲的70%以上的銷(xiāo)量將是電動(dòng)汽車(chē) (EV)。將在歐洲建設(shè)6家工廠，加快作為主要部件的電池電芯的生產(chǎn)。年生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到240GWh。
圖1&2：在2021年3月15日舉行的公司首屆“電池日”上，大眾汽車(chē)集團(tuán)技術(shù)官 Thomas Schmal 宣布到 2030 年的電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)路線圖。
豐田汽車(chē)5月還宣布到 2030年在全球銷(xiāo)售800萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)（200萬(wàn)輛EV電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)）的目標(biāo)，并將電池產(chǎn)能從目前的6GWh提高30倍至180GWh。
最先引發(fā)戰(zhàn)火的是特斯拉公司，在2020年9月的“電池日”上發(fā)布了將電池成本減半的技術(shù)路線圖，同時(shí)該公司還宣布計(jì)劃到2030年采購(gòu)（包括內(nèi)部生產(chǎn)）3000GWh（3TWh）電池。這一舉動(dòng)，讓其他汽車(chē)制造商不得不認(rèn)真起來(lái)。
CO 2減排量超過(guò)30億噸
對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展在全球范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的加劇的背后，是緊縮的汽車(chē)CO2排放法規(guī)。二十個(gè)國(guó)家已經(jīng)宣布逐步淘汰以汽油或柴油為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。
用電動(dòng)汽車(chē)代替內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的CO2減排效果到底有多少？國(guó)際能源署 (IEA) 曾表示，在包含當(dāng)前規(guī)劃政策的公開(kāi)政策愿景中，2030年內(nèi)全球擁有的電動(dòng)汽車(chē)保有量為1.4億輛，并且在采取可持續(xù)的積極的氣候變化措施的情況下預(yù)計(jì)可達(dá)到2.45億臺(tái)。在后一種情況下，電動(dòng)汽車(chē)的CO2排放量為2.3億噸，同等數(shù)量?jī)?nèi)燃機(jī)汽車(chē)的CO2排放量估計(jì)為6.7億噸，由此可以認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于減排是有效果的。更進(jìn)一步的，2050年世界上88%的汽車(chē)將是電動(dòng)汽車(chē)，美國(guó)研究公司Rystad Energy預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量將達(dá)到18億輛，通過(guò)推動(dòng)電氣化，將減少排放超過(guò)30億噸的CO2排放量。
■電氣化每年可以減少4億多噸CO2的排放。
圖3：2019年全球擁有的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量達(dá)到720萬(wàn)輛。在采取積極應(yīng)對(duì)氣候變化措施的可持續(xù)發(fā)展情景下，預(yù)測(cè)2030年電動(dòng)汽車(chē)將達(dá)到2.45億臺(tái)，預(yù)計(jì)CO2排放量為2.3億噸。由于相同數(shù)量?jī)?nèi)燃機(jī)汽車(chē)的CO2排放量估計(jì)為6.7億噸，扣除后CO2減排效果為4.4億噸。在延續(xù)當(dāng)前計(jì)劃的公共政策情景中也將減少1.85億噸（來(lái)源：國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的“全球電動(dòng)汽車(chē)展望 2020”）
全固態(tài)電池成為主流
目前，車(chē)載電池的主流是鋰離子電池，使用有機(jī)電解液作為電解質(zhì)。鈷、鎳等鋰金屬?gòu)?fù)合氧化物用于正極，碳及其合金用于負(fù)極。另一方面，全固態(tài)電池使用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)代替有機(jī)電解液。正極使用鎳或硫等，負(fù)極使用碳以及金屬鋰、硅等。目前的鋰離子電池體積能量密度約為 400Wh/L，但全固態(tài)電池可以達(dá)到其2~3倍。由于可以增加存儲(chǔ)容量，一次充電可行駛的續(xù)航里程可以從目前的400km左右擴(kuò)大到700km以上，同時(shí)還可以縮短快充時(shí)間。
全固態(tài)電池采用固體電解質(zhì)，優(yōu)勢(shì)是具有優(yōu)異的阻燃性和耐熱性。由于LIB通常使用易燃的有機(jī)電解液，在80℃以上存在著火的風(fēng)險(xiǎn)，因此電池pack必須配備冷卻系統(tǒng)。但全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)即使在200°C也難以燃燒，可承受150°C的高溫。由于不需要冷卻系統(tǒng)，因此可以進(jìn)一步小型化，或者安裝更多的電池組，進(jìn)一步擴(kuò)大續(xù)航里程。
另一方面，車(chē)載全固態(tài)電池在量產(chǎn)化方面仍然存在諸多問(wèn)題（見(jiàn)下圖）。難點(diǎn)在于，當(dāng)充放電重復(fù)數(shù)百次時(shí)，正極活性物質(zhì)與固體電解質(zhì)的界面處會(huì)形成電阻膜，導(dǎo)致輸出密度降低。此外，還會(huì)產(chǎn)生固體電解質(zhì)層的膨脹等問(wèn)題，從而在制造電池時(shí)需要花費(fèi)各種功夫。
■全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)以及實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題
圖4：當(dāng)反復(fù)充放電時(shí)，正極活性物質(zhì)與固體電解質(zhì)的界面會(huì)形成電阻膜，導(dǎo)致輸出密度降低，因此需要采取在界面處增加涂層等措施（Source ：NEDO“先進(jìn)/創(chuàng)新蓄電池材料評(píng)估”技術(shù)開(kāi)發(fā)（第2階段）“臨時(shí)評(píng)估小組委員會(huì)材料）
猛追豐田的固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)
豐田率先研發(fā)了全固態(tài)電池。2011年，豐田與東京工業(yè)大學(xué)菅野亮司教授的團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)了一種“超離子導(dǎo)體”，在其中的鋰離子在室溫下在固體中的移動(dòng)速度比在液體中的移動(dòng)速度要快。電解液的離子電導(dǎo)率越高，電池的能量密度就越高。菅野實(shí)驗(yàn)室正在陸續(xù)發(fā)現(xiàn)世界上離子電導(dǎo)率最高的電解質(zhì)材料，豐田則致力于其實(shí)際應(yīng)用。2019年，豐田使用小型EV COMS成功進(jìn)行了試驗(yàn)駕駛，并計(jì)劃在2020年前半段安裝在商用車(chē)上。
2021年4月，在上海車(chē)展上豐田發(fā)布了全新EV系列“bZ”的概念車(chē)，并計(jì)劃到2025年推出7款車(chē)型，但尚未公開(kāi)是否配備全固態(tài)電池以及具體的電池規(guī)格等。
另一方面，在歐美，風(fēng)投公司面向商業(yè)化的實(shí)際應(yīng)用活動(dòng)開(kāi)始變得活躍。2021年 5月，開(kāi)發(fā)車(chē)用全固態(tài)電池的 Quantumscape 宣布已與大眾汽車(chē)達(dá)成協(xié)議，建設(shè)一條示范線。比較有希望的工廠建設(shè)候選地點(diǎn)是大眾汽車(chē)在德國(guó)薩爾茨吉特的電動(dòng)汽車(chē)制造基地。據(jù)稱(chēng)，計(jì)劃從一開(kāi)始就以年產(chǎn)1GWh的規(guī)模投產(chǎn)，2024年左右開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，規(guī)模擴(kuò)大到20GWh。
業(yè)內(nèi)人士表示，大眾汽車(chē)已經(jīng)對(duì)全固態(tài)電池的量產(chǎn)進(jìn)行了投資，“可能是因?yàn)镼uantumscape公布的電池性能符合公司的技術(shù)要求”。根據(jù)2021年1月公布的數(shù)據(jù)，4組電芯堆疊而成的多層電芯，在充放電450次后，容量保持率達(dá)到90%以上，相當(dāng)于行駛約22萬(wàn)公里。這表明即使長(zhǎng)途旅行也能充分保證電池壽命（見(jiàn)下圖）：
圖5&6：美國(guó)Quantumscape開(kāi)發(fā)的全固態(tài)電池的疊層電芯（左）和充放電特性圖（右）。（來(lái)源：Quantum scape）
德國(guó)寶馬和美國(guó)福特汽車(chē)也宣布，將擴(kuò)大對(duì)美國(guó)全固態(tài)電池研發(fā)企業(yè) Solid Power的投資。寶馬計(jì)劃在 2022年采購(gòu)示范用的全固態(tài)電池，并在 2030年前推出配備該電池的商用車(chē)。
通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化降低成本
全固態(tài)電池的重點(diǎn)現(xiàn)在正在從示范轉(zhuǎn)向大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程。各個(gè)企業(yè)正在競(jìng)爭(zhēng)如何以低成本制造具有高能量密度和優(yōu)異耐用性和安全性的電池。
豐田執(zhí)行官、生產(chǎn)本部總經(jīng)理岡田政道在財(cái)務(wù)業(yè)績(jī)發(fā)布會(huì)上表示，“對(duì)于車(chē)載電池，如何縮短交貨期，如何降低能源和資源的生產(chǎn)力度很重要。如果有必要，電池方面，我們還將建設(shè)自己的生產(chǎn)設(shè)備?！必S田與松下成立了兩家電池生產(chǎn)合資公司，可以看出他們有一個(gè)電池設(shè)計(jì)和工藝開(kāi)發(fā)并行進(jìn)行，接近“內(nèi)部生產(chǎn)”的系統(tǒng)。
■豐田內(nèi)制的電池生產(chǎn)設(shè)備
圖7：為了縮短交貨期和降低成本，豐田有時(shí)會(huì)自己建造電池生產(chǎn)設(shè)備（照片：豐田汽車(chē)公司）。
Arthur Di Little Japan 的合伙人鈴木裕人表示，“放眼全球，有四個(gè)勢(shì)力板塊正在被創(chuàng)造：美國(guó)的通用汽車(chē)和韓國(guó)的LG電子，德國(guó)大眾和瑞典的Northbolt和Quantumscape，豐田和松下，然后是中國(guó)?！焙诵膽?zhàn)略是通過(guò)開(kāi)發(fā)以EV電動(dòng)汽車(chē)為中心的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)化電池和組件來(lái)降低成本。其中，電池占總成本的比重較大，因此標(biāo)準(zhǔn)化和“本地生產(chǎn)本地消費(fèi)”有望取得進(jìn)展。
“歐洲不愿意增加中國(guó)和韓國(guó)電池制造商的市場(chǎng)份額，并正在努力發(fā)展該地區(qū)自己的電池制造商。由于鋰電池進(jìn)口價(jià)格昂貴，歐洲有強(qiáng)烈的內(nèi)部制造下一代電池的愿望?！?/p>
事實(shí)上，許多國(guó)家都已經(jīng)將車(chē)載電池的研發(fā)定位為國(guó)家項(xiàng)目。不僅是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)、東南亞等新興國(guó)家也相當(dāng)重視。
在日本，新能源和工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織（NEDO）啟動(dòng)了車(chē)載全固態(tài)電池開(kāi)發(fā)的全日本項(xiàng)目“先進(jìn)/創(chuàng)新蓄電池材料評(píng)估技術(shù)的開(kāi)發(fā)（第2階段）”（FY18-22）。日本主要的汽車(chē)制造商、電池制造商和材料制造商正在聯(lián)合研究。目前已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出體積能量密度為450Wh/L的單層電池，正在致力于堆疊技術(shù)與實(shí)現(xiàn)800Wh/L的下一代電池的研發(fā)。
圖8：NEDO 正在開(kāi)發(fā)的全固態(tài)電池（照片：NEDO）
全方位開(kāi)發(fā)下一代電池
到2050 年，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)疑將成為移動(dòng)出行的主角。日本電池產(chǎn)業(yè)靠什么才能生存？SMBC 日興證券分析師坂本博信表示：
“電池供應(yīng)鏈基礎(chǔ)廣泛，要打造一個(gè)商品和信息有機(jī)流動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)。要想在激烈的電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，縮短交貨時(shí)間和降低成本至關(guān)重要?！?/p>
鋰、鈷等稀有礦物已經(jīng)開(kāi)始在世界范圍內(nèi)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。原材料采購(gòu)對(duì)于電池制造商來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。需要建立一個(gè)高度機(jī)動(dòng)性的供應(yīng)鏈體系，包括礦業(yè)公司和貿(mào)易公司、生產(chǎn)電極材料和電解液等零部件的材料制造商和化學(xué)品制造商，甚至廢舊電池的回收利用等公司。
然而，坂本表示，僅僅關(guān)注國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造商的動(dòng)向仍是不夠的?！皻W洲和中國(guó)的汽車(chē)制造商正在積極推出電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)。為了生存，也有必要關(guān)注這些趨勢(shì)并致力于符合海外標(biāo)準(zhǔn)的電池開(kāi)發(fā)”坂本說(shuō)。
松下和豐田的合資公司Prime Planet Energy & Solutions正在開(kāi)發(fā)符合豐田發(fā)展戰(zhàn)略的電池，但“也在考慮向海外汽車(chē)制造商供應(yīng)”（該合資公司公關(guān)部門(mén)）。通過(guò)將豐田式生產(chǎn)方式引入量產(chǎn)線，并通過(guò)日常工作來(lái)提高品質(zhì)和生產(chǎn)力，“旨在成為能夠在全球競(jìng)爭(zhēng)中勝出的電池制造商”（同上）。
日本能否將多年培育的世界頂級(jí)材料研究和電池制造技術(shù)傳給下一代？現(xiàn)在開(kāi)始，進(jìn)入了關(guān)鍵時(shí)刻。
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