技術(shù) 固態(tài)電池

豐田將在2020年前實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化體積功率密度大幅提升

NE研究院 2018-08-08 09:12

豐田計劃在2020年代前半階段實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。Nikkei x TECH / Nikkei Automotive的研究發(fā)現(xiàn)，其基礎(chǔ)的核心技術(shù)是實現(xiàn)了降低全固態(tài)電池的電芯內(nèi)阻的技術(shù)。

據(jù)日經(jīng)報道，通過這一技術(shù)，豐田打開了全固態(tài)電池的商業(yè)化道路。原本由于輸出密度低，全固態(tài)電池用于電動汽車（EV）用途時困難重重。（備注：功率密度低的話，在電芯設(shè)計時關(guān)聯(lián)的能量密度也無法提高，這樣就很難實現(xiàn)量產(chǎn)化。）

豐田通過這項基礎(chǔ)技術(shù)，將全固態(tài)電池的體積功率密度提高到約2.5 kW / L。與此同時，體積能量密度成功地提高到了高達約400wh/ L，相當(dāng)于2010年左右的鋰離子電池（LIB）大約2倍的水平。

雖然這一性能水平目前還無法達到時下最先進的LIB電池同等水平，但是，根據(jù)豐田動力電池生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)部總監(jiān)巖瀨先生的說法，現(xiàn)階段豐田正在以超越LIB為提前的商業(yè)化量產(chǎn)為目標(biāo)持續(xù)推進開發(fā)，該公司首先將利用上述降低內(nèi)阻技術(shù)為基礎(chǔ)，在2020年前半階段內(nèi)實現(xiàn)一定數(shù)量范圍內(nèi)的全固態(tài)電池實際應(yīng)用，之后將建立大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的目標(biāo)。

圖1：豐田實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的全固態(tài)電池基礎(chǔ)技術(shù)及對應(yīng)效果

豐田通過圖中對策所示的4項技術(shù)，將其全固態(tài)電池的體積功率密度提升到約2.5kw/ L，體積能量密度提高到約400wh/ L。據(jù)該公司稱，這些技術(shù)，將是豐田在2020年代前半期內(nèi)實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化目標(biāo)的基礎(chǔ)技術(shù)。

豐田目標(biāo)在2020年前半階段內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化的全固態(tài)電池使用的是，具備高離子傳導(dǎo)性的基于硫化物的固態(tài)電解質(zhì)，正負(fù)極材料則活用了現(xiàn)下主流的LIB活性材料，具體而言，正極考慮層狀氧化物系[鈷酸鋰（LCO），鎳-錳-鈷酸鋰（NMC），鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等]材料，負(fù)極則考慮碳素系等候選材料。

解決現(xiàn)有EV續(xù)航里程與充電時間的問題

豐田在全固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用中投入大量資源的，還有一點就是實現(xiàn)EV電池pack的體積能量密度達到現(xiàn)有LIB的至少2倍以上（巖瀨先生所述），以及大幅降低快速充電時間（現(xiàn)狀需要30分鐘以上的快充時間降低到1/3以下）的研發(fā)。

現(xiàn)有的EV汽車，與燃油車相比車輛價格高，同時單次充電的續(xù)航里程短，充電需要時間長，等因素極大地阻礙了電動汽車的普及。而全固態(tài)電池，針對上述問題，至少具備很大程度上能改善續(xù)航里程短，充電時間長的可能性。

不需要冷卻，Pack尺寸大幅減小

據(jù)巖瀨先生表示，全固態(tài)電池之所以能大幅提高電池Pack的體積能量密度的一大原因在于，固體電解質(zhì)具有高阻燃性和耐熱性。

現(xiàn)有的LIB通常使用易燃的有機電解液作為電解質(zhì)。這種電解質(zhì)溶液一般在80度以上就會分解產(chǎn)生氣體，甚至導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)等危險。而在全固態(tài)電池中使用的固體電解質(zhì)，具備即使200度也無法燃燒的阻燃性，以及可承受80-150度高溫的耐熱性。減小了起火爆炸的風(fēng)險，同時現(xiàn)有的LIB電池Pack包內(nèi)必不可少的排氣和冷卻系統(tǒng)也能直接省略。因此，即使全固態(tài)電池的體積能量密度等同于LIB，也可能實現(xiàn)至少2倍以上的電池pack體積能量密度。

根據(jù)日本NEDO的研究數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的LIB電池pack中電芯的體積比率大概為20~50%（圖2），而采用全固態(tài)電池的化，電池Pack不需要冷卻系統(tǒng)，體積能減小到現(xiàn)有EV上LIB空冷式電池Pack大概一半左右的大小。