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固态电池如何改变交通运输？

锂电联盟会长 2024-03-13 12:07
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Toyota似乎快要实现一项可能推动电动汽车过渡的制造突破。但这项技术是否会在商业上可行呢？
在1992年，索尼在便携电子产品领域引发了一场革命。借助几十年的锂离子电池实验研究，这家日本公司能够推出了改变数十亿消费者生活的产品，如手机和掌上摄像机。
如今，电池成为改造全球能源和交通系统的巨大任务的支撑，以减少对化石燃料的依赖。尽管锂离子电池的生产成本已经大幅下降，这使得电动汽车销量在近年来大幅增长，但这项技术的基本原理自商业化以来几乎没有什么变化。
然而，在经过了三十年的渐进优化后，这种信条可能很快会被颠覆。世界上最大的汽车制造商丰田最近表示，他们接近一项可能改变游戏规则的技术——固态电池的制造突破。自从这家日本汽车制造商在六月份关于下一代技术的一系列声明以来，炒作一直在升温。自那时以来，丰田的市值已经增长了260亿美元。
如果成功，丰田可能在2027年之前开始销售更安全、充电更快、单次充电行驶距离可达1200公里的电动汽车，这几乎是该公司目前平均数值的两倍。
“全球正在进行一场争相研发固态电池技术的竞赛，”英国法拉第学会的联合创始人兼首席科学家彼得·布鲁斯表示。“如果丰田或其他公司能够成功开发出成本竞争力强、使用寿命足够长的固态电池，那么它们有望实现能量密度的提升和10分钟内充电。如果它们达到这些标准，将对行业带来颠覆性的变革。”
如果这项技术成功应用，其影响将是巨大的。它将颠覆当前由特斯拉、中国比亚迪和宁德时代主导的电动汽车和电池市场，对于电动汽车行业将产生深远的影响。同时，考虑到西方对中国目前主导电池和其原材料的担忧，这也将具有地缘政治意义。此外，固态电池技术还有望拓展到航空等新的交通领域的应用。
一些观察人士认为，这一技术的转变可能与过去固定电话和座机电话向移动电话的过渡一样具有重大意义。
然而，固态电池技术并不是没有质疑者。批评者质疑基础科学问题是否已得到解决；还有人质疑高速大规模生产是否可行，以及市场规模是否会存在。
“围绕固态电池技术的热情意味着现有解决方案并不够好。但这显然不是事实。电动汽车销售额每年以20%到30%的速度增长，几乎每位尝试过的人都表示不会回头，”加拿大道明证券的分析师亚历克斯·布鲁克斯表示。“目前，这只是一个备受炒作的研究项目。”
一辆丰田电动汽车的仪表盘。固态电池可能有助于日本汽车制造商在电动汽车战略方面赶上世界其他地区。© Kiyoshi Ota/Bloomberg
丰田最新宣称的突破再次引发了一个问题，即固态电池要多快才能在全球交通系统的脱碳中发挥重要作用。美国政府资助的Argonne能源储存科学协作中心的主任Venkat Srinivasan将其称为电池行业的“终极目标”，但长期来看，他提出了一个问题：“这些有趣的实验室创新，是依然存在着大量技术障碍需要克服才能大规模制造，还是可以很快投入生产呢？我仍在思考这一点。”
坚实的基础
所有电池的工作原理都一样：一流带电的原子，也称为离子，从负极流向正极，电池的两个电极，这个过程在一个叫电解质的化学物质中发生，从而产生电流。
固态电池与目前的锂离子电池不同之处在于电解质是固体而不是液体。不同的材料，包括聚合物、氧化物和硫化物，正在被测试作为潜在的电解质。使用固态电池的汽车将更加安全，因为液体电解质可能更容易引发火灾。
但仅仅更换电解质不一定会带来电池性能的重大提升。真正令人兴奋的是一项可能的技术发展，即锂金属负极。用锂金属代替目前负极中使用的石墨将有助于将电池的续航里程翻倍，部分原因是因为它更轻。
固态电池一直面临着长期存在的基础技术挑战。其中一个问题是在保持电池性能、避免故障方面的困难，因为反复充电和放电会导致锂形成树枝状结构，这可能导致电池开裂。另一个挑战是实现固体材料之间的稳定接触。
丰田在六月宣称的第一个“突破”与解决耐久性技术问题有关，尽管具体是哪种材料导致了这一突破的细节有限。上周，他们宣布与石油化工集团 Idemitsu Kosan合作，共同开发和生产硫化物电解质，他们表示这将是在五年内实现商业化的关键。
CATL 工厂的运输车。过去十年来，这家制造商的研究人员一直致力于破解固态电池 © Xinhua/Shutterstock
出于在电动汽车的续航里程和充电时间等方面的信心，Idemitsu’s 的首席执行官Shunichi Kito 在与丰田共同举行的新闻发布会上表示：“我们确信基于硫化物的固态电解质是解决电池电动汽车问题的最有前途的方案。”
科学家们越来越认同，基础技术挑战似乎不再难以克服。这使得下一个挑战是实现大规模生产。装配过程是其中一个最大的障碍，因为需要快速而高精度地堆叠正极-负极电池层，而不损坏材料。
丰田的工程师也声称在这方面取得了进展。该集团越来越有信心，可以以与当前锂离子电池相同的速度堆叠电池。
然而，要实现全面的大规模生产仍然需要克服其他技术障碍。“我们仍然需要在确保电池材料的数量和质量方面取得突破，”其中一名工程师在上个月的一次工厂参观中表示。
全球影响
固态电池的推出可能会深刻影响全球汽车工业的未来。
目前，中国由于在电池技术和制造方面的领先地位，有望主导这一行业的下一个阶段：根据国际能源机构的数据，去年中国生产了全球超过75%的电池。
宁德时代（CATL）是世界上最大的电池制造商，市场份额达到37%。这家位于宁德的公司是最赚钱的电池制造商，部分原因是其规模和对研发的投资带来的成本优势。
固态电池可能是在电池竞赛中超越北京的唯一途径。丰田远不是唯一一家投资于这项技术的公司。日产和本田都有自己的项目。韩国三大电池生产商，LG能源解决方案、三星SDI和SK公司，都宣布他们计划在2020年代末开发这种电池。美国初创公司QuantumScape和Solid Power分别与大众和宝马合作，它们的技术也有类似的商业化目标日期。
大阪市立大学的教授Akitoshi Hayashi表示，要像当前的锂离子电池一样质量高的大规模生产固态电池将是“极具挑战性的”，但如果实现了，这项技术将“无与伦比地在全球领先”。
他补充说："固态电池将是日本汽车制造商复兴的关键，因为他们在电动汽车战略方面已经落后，而且日本已经失去了锂离子电池的全球市场份额。"
中国还控制着电池原材料的加工。固态电池可以减少某些弱点，例如目前对石墨的依赖，中国政府上周对石墨实施了出口限制。但固态电池对缓解预计的锂短缺问题作用不大，因为固态电池的消耗量甚至比目前的电池还要大。
中国和韩国的行业领导者对固态电池的前景并不乐观。据一位接近 CATL 的人士透露，过去十年来，中国集团的研究人员一直在努力破解固态电池。他们还没有找到一种经济有效的大规模生产系统--CATL 内部对丰田是否已经实现了这一目标持怀疑态度。
韩国的行业领导者们也有同感。"一位高管说："开发产品和商业化是两码事。"丰田说要大规模生产固态电池已经说了 10 多年了，但他们一直在拖延时间"。
制造方面的障碍
即使能够克服技术和规模化方面的挑战，固态电池能否及时降低生产成本，从而加快电动汽车在全球的推广，也是一个巨大的未知数。
规模经济将有助于降低成本。但是，随着硅负极等其他技术的进步，目前锂离子电池的性能和成本也在不断提高。固态电池对湿气和氧气的极端敏感性可能会使制造成本居高不下，而其复杂性可能要求对电动汽车进行昂贵的重新设计。
如果成本降得不够，那么固态电池最终可能仅限于豪华汽车或卡车。韩国 LGES 公司先进汽车电池部门负责人 Kim Dong-myung 说，生产固态电池 "成本太高"，而且 "应用范围非常有限"。韩国企业集团 Posco 的电池材料业务主管 Lee Kyung Sub 估计，即使一切按计划进行，到 2035 年，固态电池也只能占据电动汽车整体市场的 10%左右。
丰田的首席执行官 Koji Sato 一直对固态电池是否能在全球电动汽车竞赛中扮演“改变游戏规则”的角色持谨慎态度。 Koji Sato 表示，固态电池最初将以小规模投放市场，用于高端车型，而成本更实惠的汽车将继续采用锂离子电池。
Koji Sato 上周表示：“固态电池技术将在我们各种电池产品的整体实力方面发挥极其重要的作用，但电池本身不会决定我们汽车的价值。”
许多行业高管认为，固态电池的各项技术将逐渐融入当前的电池中。宁德时代似乎计划采用这一策略，今年四月推出了新型的“浓缩型”或“半固态”电池，其能量密度是目前型号的两倍。
芝加哥大学的电池教授Shirley Meng 表示：“完全固态电池应该有其发展使命。新电池的任务并不是取代旧电池，而是解锁我们以前无法实现的功能。借助新的续航里程和充电时间，日本汽车公司正在重新构思交通未来。”
尽管仍存在许多技术障碍，但一些观察人士认为，这项技术的潜在影响可能是深远的。性能显著提升的电池有望重新塑造全球交通出行的多个方面，从无人出租车到区域航空和新型无人机。
资料来源：
https://www.ft.com/content/f4353d2b-f941-475b-bc1d-a64475503ea6
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