被称为“游戏规则改变者”的全固态电池

“全固态电池”被称为“游戏规则改变者”，作为下一代电动车的主流电池而受到关注。从名字就可以看出，其特点就是“内容全部扎实”。

事实上，现有的锂离子电池内部使用一种称为电解质的液体。全固态电池是通过将液体转变为固体而制成的，指其内容物完全呈全固态的电池。可以说它是锂离子电池的进化版。

固态电池的优点

全固态电池可以通过将液体变成固体来获得各种好处。首先，充电速度会更快。开发全固态电池的汽车制造商声称，充电时间将减少三分之一。此外，电池容量也会更大。据汽车制造商称，这也具有两倍的能量密度。另外，由于它是固体材料，所以不会漏电，这在安全性方面是一个优势，并且它具有较宽的工作温度范围，允许在高低温条件下充电和放电。

配备固态电池的电动汽车可以行驶更远，并且充电时间也大大缩短。通过增加吸引力，电动汽车的销量将比目前更多，从而为日本的碳中和做出贡献！这些都是人们对全固态电池的期望。

换句话说，它不仅仅是一个单一的组件，而是具有彻底改变世界的潜力。这可以说是全固态电池备受关注的原因。

一、电池的基本结构

电池的基本结构是三个电极：正极（正极）、负极（负极）以及它们之间的电解质。放电时，电流从正极流向负极，充电时，电流沿相反方向流动。此时，化学反应产生的电子离子在放电时从负极（负极）移动到正极（正极），在充电时从负极移动到正极（正极），从而产生电流。

传统电池和固态电池的区别目前的锂离子电池主要采用锂化合物作为正极（正极），碳基材料作为负极（负极）。在充电和放电期间，离子在两个电极之间来回移动。电解质是离子移动的路径。目前的锂离子电池使用被称为有机溶剂的液体。

<图>锂离子电池的结构

存在隔离物以防止正极和负极接触。隔膜允许锂离子通过而不阻碍流动。预计将成为下一代的全固态电池是通过将这种电解质从液体变为固体而制成的。通过将电解质从液体变为固体，可以实现更快的离子运动 = 更快的充电、增加的容量和更高的安全性。

<图>全固态电池的结构

没有隔板，因为电解质是固体，正负极不相互接触。

全固态电池的类型

根据电解质材料的不同，全固态电池可分为硫化物电池和氧化物电池。硫化物基材料性能优异，但缺点是易受水影响，而氧化物基材料的优点是稳定性高，但需要高温烧制，制作耗时。

为何说“全固态电池无法实用化”

固态电池其实并不是一项新技术。这就是几十年来研究的内容。但之所以没有投入实际使用，是因为还存在重大问题。最大的问题是耐用性差。如果电池反复充电和放电，其性能将会恶化。由于该问题无法克服，因此至今尚未投入实际使用。

二、全固态电池发展现状与企举措

全固态电池作为下一代电动汽车的电池引起了广泛关注。那么，日本车企在全固态电池方面做了哪些努力呢？

1、丰田：2027-2028年稳步推进上市

在2021年12月举行的“电池电动汽车战略简报会上”，丰田宣布“到2030年开发30种电池电动汽车”、“拥有完整的电池电动汽车产品阵容”、“预计年产量”到 2030 年，电池电动汽车的销量“” 3)。为此，我们将重点放在全固态电池上，据说这是下一代电池。

2、全固态电池还将用于混合动力车

首先，我们从2006年开始研究和开发全固态电池的基础技术，并于2008年成立了电池研究部门来加速研究。顺便说一句，在 2021 年 9 月的“电池和碳中和说明会”上，丰田表示，他们希望不仅将全固态电池应用于电动汽车，而且还将应用于混合动力汽车（HEV），因为他们预计更高的产量。

作为此类基础研究的结果，2023 年 6 月，丰田在题为“丰田推出将改变汽车未来的新技术”的新闻稿中宣布，关于全固态电池，“克服电池耐用性问题” 。该公司解释说，这将导致“审查混合动力汽车的引入，并加速开发具有很高期望的纯电动汽车电池”，并“在 2027 年至 2028 年实现商业化面临挑战。”

有趣的是它的性能。与丰田正在并行开发的下一代改进型锂离子电池相比，目前正在研究的全固态电池的目标是，续航里程提高20% ，并且在SOC下快速充电时间小于10分钟成为10%~80%。他还解释说，同时正在研究进一步的高性能规格，目标是将续航里程增加50%。我感觉这不是空泛的基础研究，而是有明确目标的开发。

2023年10月，丰田宣布“出光和丰田将开始合作，实现电动汽车用固态电池的量产”。丰田和出光兴产将致力于开发下一代全固态电池大规模生产的技术、提高生产率和建立供应链，并将讨论他们将如何实际制造这些电池。

需要补充说明的是，丰田和出光合作生产的下一代全固态电池是硫化物基电池，其原材料是石油。硫化物固体电解质是由“出光兴产”公司，在生产石油产品制造过程中，产生的硫成分制成的。

具体来说，丰田和出光制作了量产示范装置，并实际生产了电池。该公司解释称，将继续开发配备全固态电池的下一代电动汽车，并将确保在2027年至2028年期间，将配备全固态电池的车辆引入市场。公司将考虑未来全面量产的计划。

“一步一步往前走！”，被认为重视“可靠性”是丰田的独特之处。

3、丰田同时推进三类锂离子电池的开发除了全固态电池外，丰田还在开发三种类型的锂离子电池13 )。一个是“性能版”，然后是“大众版”，最后是“高性能版”。“性能版”旨在实现高电池能量、降低20%的成本以及20分钟或更短时间的快速充电。通过将其与空气动力学和减轻重量等车辆改进相结合，我们已经实现了 1,000 公里的续航里程，是传统车型的两倍，我们计划将其用于 2026 年推出的电动汽车中。 “流行版”采用双极结构，该结构也用于混合动力汽车的镍氢电池，以实现紧凑性和高输出。通过使用廉价的磷酸铁锂（LFP）作为材料，还实现了成本降低。据称，与传统车型相比，其续航里程可增加20%，成本可降低40%。目标市场推出时间为2026年至2027年。“高性能版”采用双极结构和高镍正极。实现了比“性能版”续航里程增加10%、成本降低10%、快速充电时间小于20分钟。

参考资料:

1)丰田“电池电动汽车战略说明会”;

2)丰田“电池与碳中和说明会”;

3)丰田“丰田推出将改变汽车未来的新技术”;

4)丰田“出光和丰田，电池“合作开始实现电动汽车全固态电池的量产。”

二、Nissan：也明确标明价格为每1kWh为75美元

日产是世界上第一家开始大规模生产电动汽车的制造商。聆风于 2010 年推出，到 2023 年 7 月，全球电动汽车 (EV) 销量已达 100 万辆7 )。自然，全固态电池的开发正在取得进展， 2021年11月，在《日产汽车宣布长期愿景“日产雄心2030”》中，该公司宣布将“推出全固态电池” 2028 年电池上市。'' 让笔者惊讶的是，公告中不仅提到了“能量密度翻倍”和“充电时间缩短1/3”的性能，还提到了价格。内容是：“2028年ASSB（全固态电池）的成本，将降至每千瓦时75美元，然后再降至每千瓦时65美元，以便使电动车成本，达到与汽油动力汽车的成本相同水平。声称：“这就是我们的目标”。显然，这一目标真是堪称便宜得惊人。按1美元=150日元计算，75美元就是11,250日元。日产汽车的旗舰电动Ariya，搭载66kWh锂离子电池B6 Limited，整车售价为660万日元；91kWh的B9 Limited电动车，售价为740万日元。由于25kWh电池容量的差异，导致价格相差80万日元。如果按1kWh计算，那就是32,000日元。这75 美元，还不到预估价格的一半。此外，价格普遍下降的电动汽车电池组的价格，据说到20239年将达到每千瓦时140美元左右，这将是目前这一数字的一半。自两年前宣布以来，情况已经发生了变化，但如果1kWh=75美元成为现实，电动汽车将变得更加普及。此外，2022 年 4 月，日产宣布：“日产汽车将推出全固态电池的原型生产设备” 。这表明该步骤已经进展到原型量产而不是实验室的水平。在国内厂商中，日产在全固态电池方面的努力最为领先。日产更关注如何降低锂离子电池成本日产在202114年公布的《日产雄心2030》中还提到了降低传统锂离子电池的成本。通过使液态锂离子电池实现无钴化，到2028年，成本将比目前的Leaf降低65%。日产表示，大型电动汽车将使用全固态电池，而小型电动汽车将配备成本较低的液态锂离子电池。参考资料：日产《日产汽车全球电动汽车累计销量突破 100 万辆》；《日产汽车公布长期愿景“日产雄心 2030”》；彭博新能源财经：《锂离子电池组价格首次上涨》中，称平均涨幅为151美元/kWh”；还有 “日产汽车（Nissan）推出的全固态电池原型生产设备，令世人瞩目”。

三、本田：投资约430亿日元，包括生产线建设

本田现任总裁 Mibe Toshihiro Mibe在 2021 年 4 月的就职新闻发布会上宣布，他们将“到 2040 年实现 100% EV/ FCEV销量” 。他们是第一家明确表示将放弃发动机的日本制造商。同时，该公司表示正在加紧自主开发全固态电池，并向人们介绍称：将“开始在示范线上验证生产技术并加速研究，以便在2020年代末期在更多车型上采用” 。本田的全固态电池推向市场的时机，似乎与丰田、日产没有太大区别。在2022年4月关于“四轮电动车业务举措”的公告中，该公司解释说， “我们已经启动了全固态电池示范线，计划投资约430亿日元，并在2024 年春天。”顺便说一下，本田计划到2030年在全球拥有30个电动汽车系列，年产量超过200万辆。为了实现这一计划，在2020年代末向市场推出全固态电池将是本田的一个重要目标。

参考资料：11)、本田《社长就职新闻发布会、总裁兼首席执行官三部敏博讲话摘要》；12)、本田《关于四轮电动业务举措（2022 年）》

四、不仅仅是固态电池！更需要卓越的低成本电池技术

到目前为止，我们已经讨论了全固态电池，但从实际角度来看，有人说其他电池技术值得更多关注。因此，我们也会对全固态电池以外的电池进行说明。

首先需要注意的是现有锂离子电池的改进。即使固态电池出现，也不清楚它们的成本是多少。还有，是否真的能够量产，目前还不能完全确定。因此，最紧迫的问题是，提高现有锂离子电池的性能并使其更便宜。

1、丰田：同时推进三类锂离子电池的开发

除了全固态电池外，丰田还在开发三种类型的锂离子电池)。一个是“性能版”，然后是“大众版”，最后是“高性能版”。

“性能版”旨在实现高电池能量、降低20%的成本以及20分钟或更短时间的快速充电。通过将其与空气动力学和减轻重量等车辆改进相结合，丰田已经实现了 1,000 公里的续航里程，是传统车型的两倍，并且计划将其用于 2026 年推出的电动汽车上。

“流行版”采用双极结构，该结构也用于混合动力汽车的镍氢电池，以实现紧凑性和高能量输出。通过使用廉价的磷酸铁锂（LFP）作为材料，还实现了成本大幅降低。据称，与传统车型相比，其续航里程可比当前车型增加20%，且成本可降低40%。

目标市场推出时间为2026年至2027年。“高性能版”采用双极结构和高镍正极。实现了比“性能版”续航里程增加10%、成本降低10%、快速充电时间小于20分钟。面向市场推出的时间目标是：2027年~2028年。

换句话说，通过准备多种电池，丰田将能够提供从廉价电动汽车到高性能电动汽车的一切产品。

2、日产：提到锂离子电池成本降低

此外，日产在202114年公布的《日产雄心2030》中还提到了降低传统锂离子电池的成本。通过使液态锂离子电池实现无钴化，到2028年，成本将比目前的Leaf降低65%。日产表示，大型电动汽车将使用全固态电池，而小型电动汽车将配备成本较低的液态锂离子电池。

3、本田：开始联合开发半固体电池（锂金属二次电池）

而本田也没有放弃液态锂离子电池。2023 年 1 月，宣布“本田与 GS Yuasa 签署高容量、高输出锂离子电池合作基本协议”15 )。本田与电池制造商GS Yuasa将合作研发和生产更高容量、更高产量的锂离子电池。

该市场预计将于 2020 年代末开始推出。展望未来，我们投资了美国SES公司，开始联合开发半固态电池（锂金属二次电池）16)。半固体电池（锂金属二次电池）是有望具有高能量密度的电池。如果实现，电动汽车的续航里程可能会进一步延长。本田解释说：“我们正在同时考虑下一代电池的多种选择，包括我们正在独立开发的全固态电池，而这项联合开发协议是该过程的一部分。”

参考文献13)丰田“电气化技术-电池电动汽车创新技术”14)日产“日产 Ambition 2030”15)本田“本田与 GS Yuasa 签署高容量、高输出锂离子电池合作基本协议”16)本田“签署与电动汽车电池研发公司SES的联合开发协议”

五、全固态电池何时能够到实用型阶段？未来的前景如何？

关于全固态电池，丰田、日产、本田三家公司正在共同努力。其目标是：到2028 年前后将其推向市场。实际上，可能会有1~2年左右的时间进度误差。但即便如此，到2030年，配备全固态电池的电动车，将由多家不同公司相继上市。

不过，固态电池的出现，并不意味着所有电动车都会改用固态电池。可以肯定的是，一些公司将推出采用液体电解质的、传统锂离子电池的改进版电池。此外，本田正在开发的半固体电池，亦称为“锂金属二次电池”等新产品，也可能相继问世。

全固态电池具有巨大潜力，堪称“游戏规则改变者”。但是，它仍然无法独自解决所有问题。就像有不同类型汽车，均有不同的应用需求一样。采用多种类型的电池，来满足各种EV不同的使用需求，这才是电动汽车发展的真正未来。

来源：Asker X