丰田电池局：多技术路线并进

从镍氢电池到锂离子电池、固态电池，以及丰田投放市场的Mirai未来组合搭载的氢燃料电池，丰田在“稳定”的基础上尝试更多的可能性。所以以后不管风吹到哪里，丰田都能追上，甚至用技术带起一波。马斯克一直对外界表示，固态电池不是动力电池的未来，氢燃料“愚蠢得不可思议”。而丰田则坚称我们不会放弃氢电燃料电池的技术。相比马斯克的决定，丰田似乎更愿意尝试动力电池行业的多种可能性。从镍氢电池开始，丰田从上个世纪就开始布局电池业务。为什么丰田如此钟爱镍氢电池？但是有一个规律，丰田从来没有放弃过镍氢电池。一向擅长混合动力技术的丰田，最早开始致力于适合混合动力汽车的镍氢电池。第一代普锐斯搭载PEVE生产的圆柱形镍氢电池，在日本爱知县丰田工厂生产。第二代普锐斯上市时，圆柱形电池被方形镍氢电池取代，丰田称这是为了优化电池组内部空间，提高系统能量密度。不过不管是圆柱形还是方形，从1997年的第一代普锐斯到今天的卡罗拉和凯美瑞，丰田对镍氢电池一直是那么情有独钟。为什么？主要原因是因为丰田独有的混动技术。目前丰田推出的车型中，主力车型是混动车。对于混合动力汽车来说，电池最重要的任务不是续航里程，而是配合电机辅助发动机达到最佳状态。关键是把两者结合起来控制成本。混合动力汽车在行驶过程中，发动机的作用是保持高速稳定运行，而电机的工作时间主要在起步阶段和低速行驶阶段。此外，电动机会自动转换成发电机，将车身运行产生的能量转化为电能，储存在蓄电池中。这样一来，混合动力汽车能否更加安全快捷地充放电，成本预算，才是丰田要考虑的事情。首先，从安全角度来说，镍氢电池使用的是不易燃的水溶液，不会出现锂电池那样的锂析出。另一方面，镍氢电池的比热容、电解液蒸发和能量密度都比较高，即使在短路、爆胎等极端情况下，电池发热也不太可能引起燃烧。此外，由于镍氢电池不含有物质，主要成分为镍和稀土，因此回收更安全，难度更小，回收程度更高。成本方面，有报告显示，2010年以前，镍氢电池的每瓦时电池成本与镍氢电池相差无几。所以在早期，镍氢电池的使用量相对低于锂离子电池。此外，由于混合动力系统的动力输出合理，行驶过程中一般使用的电池容量在10%左右，极端情况下最大功耗只能达到40%，所以剩余60%的电池电量没有使用。这种“浅充电”的电池管理方式可以大大延长电池寿命，充放电循环次数可以达到10000次以上。所以在长期的成本控制上，镍氢电池相对更有优势。此外，镍氢电池技术相对成熟，产品质量控制难度大，成品率高，成本相对较低。从技术上讲，镍氢电池的快速充放电能力和稳定放电特性也适合混合动力汽车的工作模式。数据显示，镍氢电池充满电后，每月会释放25%-35%的电量，而锂离子电池每月自放电率仅为5%-9%。镍氢电池如果只在容量的40%-60%之间运行，可以充放电数万次。普通锂离子电池充放电循环在500次左右，镍氢电池在2000次左右。在不考虑充电时间的情况下，镍氢电池具有充放电速度快、发热量低、放电稳定的特点，即……更适合混合动力系统的工作模式。所以一向稳重的丰田选择了更适合其混动技术的镍氢电池。但是，丰田并没有把整个生命线都放在镍氢电池上。丰田在第四代普锐斯的高配版和插电版搭载的是锂离子电池。为什么改用锂电池(1)镍氢电池受到限制。既然镍氢电池可以满足混合动力汽车的需求，为什么丰田又开始研究锂电池了？有人说，当然是为了抢占纯电动市场，其实不是，因为2006年，丰田并没有公开说要布局纯电动汽车。有句话叫逼。2006年，通用推出了纯电动汽车EV1，但市场表现不如RAV4，于是将镍氢电池的专利子公司Ovonics卖给了美国石油巨头雪佛龙。随后，雪佛龙起诉丰田、松下和PEVE侵犯专利。最后双方达成和解，但结果是丰田不能在纯电动汽车上使用镍氢电池。所以丰田如果发展纯电动，不能依赖镍氢电池，这是一部分原因。(2)镍氢电池的成本逐渐上升。此外，2010年镍氢电池的成本开始高于锂离子电池。成本驱动也是丰田转型的关键因素。毕竟丰田一直认为锂离子电池的高成本是阻碍其技术市场化的一大因素。因此，如果锂离子电池技术有所突破，丰田将实现另一次突破。但转型的基础是在锂离子电池技术领域的积累和发展决心。(3)锂离子电池技术的前期积累丰田最早开发锂离子电池技术，拉了松下。2008年，松下收购三洋电机，将其锂电池、镍氢电池、车载导航等业务“松下”，在丰田与松下合作的背景下，进一步增加了在锂电池领域的技术储备。同年年底，丰田成立了“电池研究部”，专注于锂离子充电电池之外的新一代电池的研发。2009年，丰田汽车发言人PaulNolasco表示，该公司与日本东北大学共同开发了一项技术，可以使锂离子电池储存10倍于当时同类电池的电量——单晶锂钴氧化物的加工。使用单晶形式后，丰田可以减少石墨的使用量，产生电流的锂离子有更多的存储空间。但当时丰田仍然认为当时的锂离子电池容量无法为全电驱动系统的车辆提供足够的续航里程。当时丰田已经开始少量生产锂离子电池。2010年，丰田章男投资5000万美元购买了特斯拉3%的股份，并以4200美元的价格将加州MUMMT工厂卖给了特斯拉。合作的目的是为第二代RAV4 EV开发锂离子电池系统。2010年，丰田锂离子电池量产。时隔6年，在东京第七届国际二次电池展览会上，丰田展示了新款普锐斯使用的锂离子电池组，PEVE负责电池和模块的制造。日本静冈县大森工厂的部分生产线负责生产正极三元材料(镍、钴、锰)的锂离子电池，预计年产能为20万辆。这种电池是由2011年5月上市的普锐斯Alpha使用的电池改进而来。通过减小电池单元的尺寸，电池组的体积减少了6%。由于电池电芯的小型化，载流量从原产品的5.0Ah降低到3.3Ah，2018年PEVE宣布将新建HEV用锂离子电池厂房，目标是2020年上半年将年产能扩大3倍至60万台。至此，在与各方合作的过程中，丰田在锂离子电池上的技术也有了一定的积累。(4)丰田对锂离子现有问题的改进丰田表示，将从2020年开始陆续推出10款纯电动汽车，到2025年旗下所有车型都将有电动版本。然而，d……随着锂离子电池技术的不断升级，锂离子电池的安全性一直备受诟病。一般情况下，锂离子电解质溶液在80度以上会分解产生气体膨胀，甚至导致爆炸或火灾危险。要实现纯电动汽车的销售目标，丰田必须掌握更安全的技术。因此，为了解决锂离子充放电过程中由于锂离子偏移导致实际可用容量变小的问题。丰田发明了一种观察法。该方法利用同步附着的高强度X射线实现了每像素0.65微米的高分辨率和每帧100毫秒的高速测量，可以观测锂离子的运动状态。因为X射线很难穿透重金属元素，所以当锂离子与其结合时，我们可以通过观察重金属元素的运动来了解锂离子的运动。通过这种方法，研究人员可以观察不同材料和结构的正负极、隔膜和电解液引起的锂离子运动，从而观察不同材料、工艺和方法对提高电池性能的影响，也可以分析电池性能下降的机理，从而为提高车辆续航能力和电池寿命做出针对性的研究。虽然不能直接改变锂离子移位的问题，但至少丰田可以了解锂离子的运动规律，这也是解决这类问题的一大进步。但是很多公司尝试将液态电解液改为固态电解液来解决锂电池存在的问题，丰田也在这一领域进行了尝试。因为全固态电池中的固体电解质即使在200度也具有不燃的阻燃性，可以承受80-150度的高温。根据日本NEDO的研究数据，现有锂离子电池组中电池的体积比大约为20%-50%。如果使用全固态电池，电池组不需要冷却系统，体积可以缩小一半左右。此外，取消排气和冷却系统可以降低一些成本。因此，无论从性能、安全性还是成本来看，固态电池都成为了丰田的另一种选择。丰田曾公开表示，计划在2020年上半年实现固态电池的商业应用。目前，丰田在固态电池领域拥有252项专利，日本在该领域的专利占世界总量的75%。另一种技术尝试:固态电池然而，早期开发的固态电池由于输出密度和能量密度较低，与商用水平相差甚远，主要问题是内阻增大。基于以上事实，丰田认为引起内阻升高的主要有四个问题:(1)在正负极的正极活性物质与固体电解质的界面处会有一层电阻层；(2)固体电解质层将变得更厚；(3)阳极和阴极中活性材料的聚集；(4)在构成阳极和阴极或电解质的固体颗粒之间会形成间隙。在这方面，丰田开发了降低全固态电池内阻的技术。首先，为了解决电阻层的问题，丰田的对策是将正极活性物质包覆起来形成保护层，防止电阻层的形成，但为了更高的导电性，丰田将包覆层控制在10nm左右。然而，固体电解质层的增厚将导致无法完成大规模生产的循环。主要是因为正极混合材料、固体电解质和负极混合材料以干粉状态混合，依次放入圆筒形容器中，插入作为集流体的不锈钢板中，上下拧紧加压。在运行过程中，干粉会飞蓬松，无法高速运行。为了解决这个问题，丰田取消了湿法工艺来提炼原材料。将干燥的粉末分散在溶剂中以制备浆料，将其涂布在箔上，然后干燥。正极、固体电解质和负极层分别通过干燥和溶剂去除形成。以这种方式，正极和负极材料以及固体电解质在它们各自的浆料中与粘合剂混合。颗粒紧密结合的同时，颗粒也牢固的固定在箔片上，运输过程中不会出现回收制作困难的问题。但是前面提到的正负极活性物质的凝集会降低活性物质的表面积，而活性物质通过与电解质颗粒或导电添加剂的表面接触来交换锂离子和电子。如果表面积减小，锂离子和电子的电导率就会降低。对此，丰田的方法是将浆料阶段的活性物质均匀分散，防止凝集。另一方面，正负电极之间的间隙导致的问题是Li离子和电子的导电性降低，这是通过电极的致密化和电极的加压来实现的。基于上述技术，丰田将全固态电池的体积功率密度提升至近2.5kW/L，体积能量密度提升至400wh/L，相当于2010年前后锂离子电池水平的两倍。虽然丰田在能量密度上领先一步，但一个不容忽视的问题是，丰田选用的硫化物会因工艺操作不当而产生硫化氢，剧易爆炸。所以在安全性上，很难保证。根据我从NE时代慧能科技了解到的情况，丰田为了避免这样的问题，选择在硫化物中加入一些氧化物，但是在量产方面，商业化还有待研究。然而，在固态电池方面，丰田已经宣布计划在2020年东京奥运会上推出其配备固态电池的纯电动演示车。对于固态电池的不同路线，龙头企业丰田还处于商业化阶段，实现产业化尚需时日。无论是从镍氢电池到锂离子电池，还是丰田投放市场的Mirai未来组合搭载的固态电池、氢燃料电池，丰田对电池业务的整体布局都倾向于在“稳定”的基础上尝试更多的可能性。所以，无论未来风吹向哪里，丰田都能迎头赶上，甚至掀起一股浪潮。从镍氢电池到锂离子电池、固态电池，以及丰田投放市场的Mirai未来组合搭载的氢燃料电池，丰田在“稳定”的基础上尝试更多的可能性。所以以后不管风吹到哪里，丰田都能追上，甚至用技术带起一波。马斯克一直对外界表示，固态电池不是动力电池的未来，氢燃料“愚蠢得不可思议”。而丰田则坚称我们不会放弃氢电燃料电池的技术。相比马斯克的决定，丰田似乎更愿意尝试动力电池行业的多种可能性。从镍氢电池开始，丰田从上个世纪就开始布局电池业务。为什么丰田如此钟爱镍氢电池？但是有一个规律，丰田从来没有放弃过镍氢电池。一向擅长混合动力技术的丰田，首先开始研究适用于混合动力汽车的镍氢电池……南第一代普锐斯搭载PEVE生产的圆柱形镍氢电池，在日本爱知县丰田工厂生产。第二代普锐斯上市时，圆柱形电池被方形镍氢电池取代，丰田称这是为了优化电池组内部空间，提高系统能量密度。但是无论是圆柱形还是方形，从1997年的第一代普锐斯到今天的卡罗拉和凯美瑞，丰田对镍氢电池一直是那么情有独钟。为什么？主要原因是因为丰田独有的混动技术。目前丰田推出的车型中，主力车型是混动车。对于混合动力汽车来说，电池最重要的任务不是续航里程，而是配合电机辅助发动机达到最佳状态。关键是把两者结合起来控制成本。混合动力汽车在行驶过程中，发动机的作用是保持高速稳定运行，而电机的工作时间主要在起步阶段和低速行驶阶段。此外，电动机会自动转换成发电机，将车身运行产生的能量转化为电能，储存在蓄电池中。这样一来，混合动力汽车能否更加安全快捷地充放电，成本预算，才是丰田要考虑的事情。首先，从安全角度来说，镍氢电池使用的是不易燃的水溶液，不会出现锂电池那样的锂析出。另一方面，镍氢电池的比热容、电解液蒸发和能量密度都比较高，即使在短路、爆胎等极端情况下，电池发热也不太可能引起燃烧。此外，由于镍氢电池不含有物质，主要成分为镍和稀土，因此回收更安全，难度更小，回收程度更高。成本方面，有报告显示，2010年以前，镍氢电池的每瓦时电池成本与镍氢电池相差无几。所以在早期，镍氢电池的使用量相对低于锂离子电池。此外，由于混合动力系统的动力输出合理，行驶过程中一般使用的电池容量在10%左右，极端情况下最大功耗只能达到40%，所以剩余60%的电池电量没有使用。这种“浅充电”的电池管理方式可以大大延长电池寿命，充放电循环次数可以达到10000次以上。所以在长期的成本控制上，镍氢电池相对更有优势。此外，镍氢电池技术相对成熟，产品质量控制难度大，成品率高，成本相对较低。从技术上讲，镍氢电池的快速充放电能力和稳定放电特性也适合混合动力汽车的工作模式。数据显示，镍氢电池充满电后，每月会释放25%-35%的电量，而锂离子电池每月自放电率仅为5%-9%。镍氢电池如果只在容量的40%-60%之间运行，可以充放电数万次。普通锂离子电池充放电循环在500次左右，镍氢电池在2000次左右。在不考虑充电时间的情况下，镍氢电池具有充放电快速、发热量低、放电稳定的特点，更适合混合动力系统的工作模式。所以一向稳重的丰田选择了更适合其混动技术的镍氢电池。但是，丰田并没有把整个生命线都放在镍氢电池上。丰田在第四代普锐斯的高配版和插电版搭载的是锂离子电池。为什么改用锂电池(1)镍氢电池受到限制。既然镍氢电池可以满足混合动力汽车的需求，为什么丰田又开始研究锂电池了？有人说，当然是为了抢占纯电动市场，其实不是，因为2006年，丰田并没有公开说要布局纯电动汽车。有句话叫逼。2006年，通用推出了纯电动汽车EV1，但市场表现不如RAV4，于是将镍氢电池的专利子公司Ovonics卖给了美国石油巨头雪佛龙。随后，雪佛龙起诉丰田、松下和PEVE ……r专利侵权。最后双方达成和解，但结果是丰田不能在纯电动汽车上使用镍氢电池。所以丰田如果发展纯电动，不能依赖镍氢电池，这是一部分原因。(2)镍氢电池的成本逐渐上升。此外，2010年镍氢电池的成本开始高于锂离子电池。成本驱动也是丰田转型的关键因素。毕竟丰田一直认为锂离子电池的高成本是阻碍其技术市场化的一大因素。因此，如果锂离子电池技术有所突破，丰田将实现另一次突破。但转型的基础是在锂离子电池技术领域的积累和发展决心。(3)锂离子电池技术的前期积累丰田最早开发锂离子电池技术，拉了松下。2008年，松下收购三洋电机，将其锂电池、镍氢电池、车载导航等业务“松下”，在丰田与松下合作的背景下，进一步增加了在锂电池领域的技术储备。同年年底，丰田成立了“电池研究部”，专注于锂离子充电电池之外的新一代电池的研发。2009年，丰田汽车发言人PaulNolasco表示，该公司与日本东北大学共同开发了一项技术，可以使锂离子电池储存10倍于当时同类电池的电量——单晶锂钴氧化物的加工。使用单晶形式后，丰田可以减少石墨的使用量，产生电流的锂离子有更多的存储空间。但当时丰田仍然认为当时的锂离子电池容量无法为全电驱动系统的车辆提供足够的续航里程。当时丰田已经开始少量生产锂离子电池。2010年，丰田章男投资5000万美元购买了特斯拉3%的股份，并以4200美元的价格将加州MUMMT工厂卖给了特斯拉。合作的目的是为第二代RAV4 EV开发锂离子电池系统。2010年，丰田锂离子电池量产。时隔6年，在东京第七届国际二次电池展览会上，丰田展示了新款普锐斯使用的锂离子电池组，PEVE负责电池和模块的制造。日本静冈县大森工厂的部分生产线负责生产正极三元材料(镍、钴、锰)的锂离子电池，预计年产能为20万辆。这种电池是由2011年5月上市的普锐斯Alpha使用的电池改进而来。通过减小电池单元的尺寸，电池组的体积减少了6%。由于电池电芯的小型化，载流量从原产品的5.0Ah降低到3.3Ah，2018年PEVE宣布将新建HEV用锂离子电池厂房，目标是2020年上半年将年产能扩大3倍至60万台。至此，在与各方合作的过程中，丰田在锂离子电池上的技术也有了一定的积累。(4)丰田对锂离子现有问题的改进丰田表示，将从2020年开始陆续推出10款纯电动汽车，到2025年旗下所有车型都将有电动版本。然而，尽管锂离子电池技术不断升级，但锂离子电池的安全性一直饱受诟病。一般情况下，锂离子电解质溶液在80度以上会分解产生气体膨胀，甚至导致爆炸或火灾危险。要实现纯电动汽车的销售目标，丰田必须掌握更安全的技术。因此，为了解决锂离子充放电过程中由于锂离子偏移导致实际可用容量变小的问题。丰田发明了一种观察法。该方法利用同步附着的高强度X射线实现了每像素0.65微米的高分辨率和每帧100毫秒的高速测量，可以观测锂离子的运动状态。因为X射线很难穿透重金属元素，所以当锂离子与其结合时，我们可以通过观察重金属元素的运动来了解锂离子的运动。通过这种方法，res……rchers可以观察正负极、隔膜、电解液不同材料和结构引起的锂离子运动，从而观察不同材料、工艺、方法对提高电池性能的作用，也可以分析电池性能下降的机理，从而为提高车辆续航能力和电池寿命做出针对性的研究。虽然不能直接改变锂离子移位的问题，但至少丰田可以了解锂离子的运动规律，这也是解决这类问题的一大进步。但是很多公司尝试将液态电解液改为固态电解液来解决锂电池存在的问题，丰田也在这一领域进行了尝试。因为全固态电池中的固体电解质即使在200度也具有不燃的阻燃性，可以承受80-150度的高温。根据日本NEDO的研究数据，现有锂离子电池组中电池的体积比大约为20%-50%。如果使用全固态电池，电池组不需要冷却系统，体积可以缩小一半左右。此外，取消排气和冷却系统可以降低一些成本。因此，无论从性能、安全性还是成本来看，固态电池都成为了丰田的另一种选择。丰田曾公开表示，计划在2020年上半年实现固态电池的商业应用。目前，丰田在固态电池领域拥有252项专利，日本在该领域的专利占世界总量的75%。另一种技术尝试:固态电池然而，早期开发的固态电池由于输出密度和能量密度较低，与商用水平相差甚远，主要问题是内阻增大。基于以上事实，丰田认为引起内阻升高的主要有四个问题:(1)在正负极的正极活性物质与固体电解质的界面处会有一层电阻层；(2)固体电解质层将变得更厚；(3)阳极和阴极中活性材料的聚集；(4)在构成阳极和阴极或电解质的固体颗粒之间会形成间隙。在这方面，丰田开发了降低全固态电池内阻的技术。首先，为了解决电阻层的问题，丰田的对策是将正极活性物质包覆起来形成保护层，防止电阻层的形成，但为了更高的导电性，丰田将包覆层控制在10nm左右。然而，固体电解质层的增厚将导致无法完成大规模生产的循环。主要是因为正极混合材料、固体电解质和负极混合材料以干粉状态混合，依次放入圆筒形容器中，插入作为集流体的不锈钢板中，上下拧紧加压。在运行过程中，干粉会飞蓬松，无法高速运行。为了解决这个问题，丰田取消了湿法工艺来提炼原材料。将干燥的粉末分散在溶剂中以制备浆料，将其涂布在箔上，然后干燥。正极、固体电解质和负极层分别通过干燥和溶剂去除形成。以这种方式，正极和负极材料以及固体电解质在它们各自的浆料中与粘合剂混合。颗粒紧密结合的同时，颗粒也牢固的固定在箔片上，运输过程中不会出现回收制作困难的问题。但是前面提到的正负极活性物质的凝集会降低活性物质的表面积，而活性物质通过与电解质颗粒或导电添加剂的表面接触来交换锂离子和电子。如果表面积减小，锂离子和电子的电导率就会降低。对此，丰田的方法是将浆料阶段的活性物质均匀分散，防止凝集。另一方面，正负电极之间的间隙导致的问题是Li离子和电子的导电性降低，这是通过电极的致密化和电极的加压来实现的。基于上述技术，丰田将全固态电池的体积功率密度提升至近2.5kW/L，体积能量密度提升至400wh/L，相当于2010年前后锂离子电池水平的两倍。虽然丰田在能量密度上领先一步，但一个不容忽视的问题是，丰田选用的硫化物会因工艺操作不当而产生硫化氢，剧易爆炸。所以在安全性上，很难保证。根据我从NE时代慧能科技了解到的情况，丰田为了避免这样的问题，选择在硫化物中加入一些氧化物，但是在量产方面，商业化还有待研究。然而，在固态电池方面，丰田已经宣布计划在2020年东京奥运会上推出其配备固态电池的纯电动演示车。对于固态电池的不同路线，龙头企业丰田还处于商业化阶段，实现产业化尚需时日。无论是从镍氢电池到锂离子电池，还是丰田投放市场的Mirai未来组合搭载的固态电池、氢燃料电池，丰田对电池业务的整体布局都倾向于在“稳定”的基础上尝试更多的可能性。所以，无论未来风吹向哪里，丰田都能迎头赶上，甚至掀起一股浪潮。

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