丰田战略难题之二：电动平台和电池（下）

2023-10-13 10:28

丰田的秘密武器固态电池

当下几乎所有新能源汽车企业和动力电池车企都采用三元锂电池或磷酸铁锂电池，这两种电池已成为行业主流选择，特斯拉、比亚迪、宁德时代的领先地位已经难以撼动。丰田想另辟蹊径。

据外媒报道，丰田正在和京都大学研究人员联合开发新型氟离子电池技术。氟离子电池储能量大约是传统锂离子电池的7倍，可以让电动汽车续航里程超过1000 公里。氟化物离子电池是以氟为电能载体的新型蓄电池。据称，现有的纯电动汽车锂电池的容量为200～250瓦时/公斤，如果改进材料，氟化物离子电池的容量有望达到2500瓦时/公斤以上。

氟离子电池的工作原理是：通过氟离子导电电解质，将氟离子从一个电极转移到另一个电极来发电，阳极或负电荷电极由氟、钴、铜组成，阴极或正电荷电极主要由镧组成，同时氟离子电池完全无需使用锂作为原料。氟离子电池采用固体电解质，大大降低自燃率。

报道说，京都大学在2017年成功开发出一种使用电解液在室温下运行的氟离子电池。以往的研究主要使用固体电解质，除非温度达到150℃以上，否则无法提高氟离子的导电性。京都大学的研究人员通过使用溶解了有机氟化物的电解液解决了这个问题。

2020年与丰田合作，成功试制了使用固体电解质的氟离子电池。汽车制造商对氟离子电池的关注度很高，2018年本田公司下属的本田研究院就与美国国家航空航天局也公布了关于氟离子电池的研究成果。

但是氟离子电池需要在高温工作中，只有固态电解质被充分加热时才能导电，这会导致电池电极膨胀，而且充放电次数和电动势等性能目前还不及锂电池，在实际应用方面仍然存在许多挑战。

立命馆大学副教授冈崎健一等人组成的研究团队计划在2025年前试制以铜和铝等低成本原料作为电极材料的氟离子电池，以此降低资源断供风险。而使用铋或铅作为电极的类型，其电动势仅停留在0.3伏的水平，团队将通过调整电极材料将其电动势提高到2伏以上。冈崎副教授说：“我们希望为建设脱碳社会提供锂电池以外的选择。”

据日本调查公司矢野经济研究所（位于东京都中野区）预测，到2030年，全球车载用锂离子电池的市场规模将扩大到2021年的约3倍。如果所有纯电动汽车都使用锂离子电池的话，将有可能出现资源短缺。

丰田的心思还是非常缜密的。

首先，电池是电动汽车核心技术，必须掌握在自己手中，而且最好是不依赖于外供。

另一方面，日本资源匮乏，基本没有锂离子电池和电机所需要的锂、稀土矿产，丰田不希望在资源上被别人卡脖子，所以最好少用甚至不用稀土。

另一方面，丰田大量注册固态电池专利，也是希望先行突破技术，实现“赢者通吃”。

但是，这只是丰田的一厢情愿。

世界上不知多少实验团队正在研究多少电池方案，一大拨都在路上。

即使是氟离子电池，中国也已经取得突破。　

据2022年1月《中国科学报》报道，中国科学技术大学教授马骋团队设计出一种新型氟离子固态电解质——钙钛矿氟离子导体，首次实现室温下全固态氟离子电池的稳定长循环，在25℃下持续充放电4581小时后，容量没有发生显著衰减。这一成果创造了全固态氟离子电池领域循环时间最长、容量保持率最高的世界纪录，让人们看到未来电池多元化发展的希望。

马骋介绍，全固态氟离子电池理论能量密度最高可接近每升5000瓦时，约是目前商业化锂离子电池能量密度的8倍，也超过正在研发的锂空气电池。

基于不可燃无机固态电解质的氟离子电池，安全性能无疑更好。此外，氟元素地壳丰度约是锂元素的50倍，氟离子电池在原材料供应方面的压力远低于锂离子电池。马骋告诉《中国科学报》，我国萤石（主要成分氟化钙）资源在全球优势明显，氟离子电池可以充分利用这一优势。

马骋指出，如果能使用不可燃的无机固态电解质构筑全固态电池，毫无疑问将更有实用价值。但是，这一技术路线颇具挑战——氟离子固态电解质的离子电导率大多偏低，只能在高温下工作；少数全固态氟离子电池虽然可在室温下充放电，但电化学窗口极窄，充放电不到10次容量就几乎衰减为0，没有实际应用价值。构筑可传输氟离子的液态电解质极其困难，即便成功也存在安全隐患。《科学》曾报道过一种可以传输氟离子的有机液态电解质，被誉为是氟离子电池“里程碑”式的工作。但由其组成的氟离子电池在室温下仅实现不到10个循环的稳定充放电。

2023年3月，媒体报道，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李驰麟带领的团队，首次设计了基于二维层状氟化物（KSn2F5）和界面改性策略的准固态氟离子电池。在接近室温（60?℃）的条件下，该电池的初始放电容量达到442 mAh/g，便循环70次后仍有150 mAh/g的可逆容量。该电池在较低温度（60?℃）和较大电流密度（20 mA/g）下表现出可逆的转换反应循环，其充放电过电位仅为100 mV，这一基于层状电解质的氟离子电池的电化学性能在已报道的固态或准固态氟离子电池中处于优异水平。?

马骋教授团队还开发出一种新型固态电解质——氧氯化锆锂，据说该新型电解质综合性能与目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相近，但成本不到后者的4%，适合进行产业化应用。这种材料具有很强的成本优势，氧氯化锆锂的成本有可能降低到约7美元/公斤，远低于目前最具成本优势的固态电解质氯化锆锂（10.78美元/公斤）。

据韩国SNE research发布的报告，给全固态电池泼了一盆冷水。到2030年全球液态锂离子电池供应量将从2023年的687GWh增加到2943GWh，增加4.3倍，占电池市场的95%以上。即使全固态电池到2030年量产，供应量也只会从2025年开始的0.2GWh增加到131GWh，市场渗透率也只有4%，影响不了大局。即使全固态电池成功批量生产，成本问题仍然是最大的问题。