豐田電池局：多技術路線并進

從鎳氫電池到鋰電池、固態電池，還有豐田已經投放市場的Mirai搭載的氫燃料動力電池，豐田在“穩”的基礎上嘗試更多的可能性。所以無論將來風吹向哪里，豐田都能趕上，甚至能憑技術帶起一股風潮。

馬斯克一直對外界表示：固態電池并不是動力鋰離子電池的將來，而氫燃料更是“蠢得令人難以置信”。

而豐田卻堅持：我們不會放棄氫電力燃料動力電池技術。

相比于馬斯克的決絕，豐田在動力鋰離子電池行業，仿佛更愿意嘗試多種可能。

從鎳氫電池開始，豐田從上個世紀就開始布局電池業務。

豐田為甚么如此鐘情于鎳氫電池

但是有一個規律是，豐田一直沒放棄鎳氫電池。

一向以混合動力技術見長的豐田，最先開始著手的是適用于油電混合車使用的鎳氫電池。

第一代普銳斯，搭載的就是pEVE加工的圓柱形鎳氫電池，產自日本愛知縣的豐田廠里。

等到第二代普銳斯上市，圓柱電池就被換成了方形鎳氫電池，豐田稱是為了優化電池組內部空間，提升系統能量密度。

但是無論是圓柱還是方形，從1997年第一代普銳斯到如今的卡羅拉、凱美瑞，豐田都一直這么鐘情于鎳氫電池。

為甚么呢?緊要原由還是因為豐田獨有的混動技術。

目前，豐田推出的車型中，緊要車型為油電混合車。

關于油電混合車來說，電池最緊要的工作不是續航里程，而是配合電機輔助發動機達到最佳狀態，兩者結合省油控制成本才是關鍵。

油電混合車在運行過程中，發動機的用途是在高速狀態下保持平穩運行，而電動機工作時間緊要在啟動階段和低速行駛階段，此外電動機還會自動轉化為發電機將車身運轉所出現的能量轉化為電能儲存在電池中。

這樣一來，油電混合車在行駛過程中能否更安全、快速充放電以及成本預算才是豐田要考慮的事情。

首先從安全性來看，鎳氫電池采用的是不可燃的水溶液，不會出現像鋰電池那樣析鋰現象。

另一方面，鎳氫電池的比熱容、電解液蒸發相對較高、能量密度較低，即使發生短路、刺穿等極端情況，電池升溫也不大會引起燃燒。

此外因為鎳氫電池不含劇毒物質，緊要成分為鎳、稀土，回收起來比較安全，難度較小，回收再利用程度比較高。

成本上來看，有報告顯示，在2010年之前，鎳氫電池每瓦時電池成本幾乎是與鎳氫電池持平的。

所以在早期來看，使用鎳氫電池相對來說成本是比鋰電池低的。

此外，由于混合動力系統在合理動力輸出下，行駛過程中一般用到的電池容量在10%左右，極端情況下最大用電量也只能到40%，所以電池剩下60%電量是用不到的。

這種“淺充電”的電池管理方式能極大延長電池壽命，充放電循環次數可到10000次以上。所以在長期成本控制上，鎳氫電池相對來說很有優點。

此外，鎳氫電池技術相對較成熟，產品質量控制難度低，良品率較高，成本相對較低。

技術上來看，鎳氫電池快速充放電能力及放電平穩的特性也適合混動動力車的工作模式。

有數據顯示，在滿電存放的情況下，鎳氫電池每月電量會自行釋放25%-35%，而鋰電池每月自放電率惟有5%-9%。鎳氫電池倘若只在容量的40%-60%之間來進行，可以充放電上萬次。一般鋰電池充放周期在500次左右，鎳氫電池大概兩千次左右。

在無需考慮充電時間的情況下，鎳氫電池具備快速充放電和發熱量小、放電平穩的特性比較適合混合動力系統的工作方式。

所以，一向穩健的豐田選擇了更適合與其混動技術配套的鎳氫電池。

但是，豐田并沒有把整個生命線全放在鎳氫電池上面，豐田在第四代普銳斯高配版及插電版搭載的就是鋰電池。

為甚么轉戰鋰電池

(1)鎳氫電池被限制

既然鎳氫電池能滿足油電混動車的需求，為甚么豐田又開始研究鋰電池了呢?

有人說，當然是為了搶占純電動市場，其實不然，因為2006年豐田還沒公開說要布局純電動車。

有一種說法是，被逼的。

2006年通用推出純電動車EV1，但是市場表現不如RAV4，所以就將其持有的鎳氫電池專利子公司Ovonics賣給美國石油巨頭雪佛龍。隨后，雪佛龍起訴豐田、松下及pEVE侵犯專利訴訟。

最后，雙方達成和解，但結果是豐田不能在純電動車上使用鎳氫電池。

所以倘若豐田發展純電動，就不能依賴鎳氫電池了，這是一部分原由。

(2)鎳氫電池成本逐漸走高

此外，2010年鎳氫電池成本開始高于鋰電池。

成本驅動也是豐田進行轉型的一個關鍵因素，畢竟豐田一直認為鋰電池的高成本是妨礙其技術市場化的重大因素，所以倘若在鋰電池技術上有沖破，豐田也算是實現另一個沖破了。

不過，轉型的底氣還是在其鋰電池技術范疇的積淀和發展決心。

(3)鋰電池技術的前期積淀

豐田最開始研發鋰電池技術，拉上了松下。

2008年，松下通過收購三洋電機，將其鋰電池、鎳氫電池、汽車導航等業務“松下化”，進一步新增了豐田和松下合作背景下在鋰電池范疇的技術儲備。

同年下旬，豐田設立“電池研究部”，專注于研發超越鋰離子充電電池的新一代電池。

2009年，豐田汽車發言人paulNolasco表示，公司與日本東北大學共同研發了一項能使鋰電池能儲存10倍于當時同類電池的電量的技術——單晶體鋰鈷氧化物的出產。使用單晶形態后，豐田可以減少石墨的使用量，出現電流的鋰離子有更大存儲空間。

不過那個時候，豐田依舊認為，當時鋰電池含電量無法為全電力驅動系統的車輛供應足夠的續航里程。

彼時，豐田已經開始對鋰電池進行少量加工。

2010年，豐田章男投資5000萬美元購入特斯拉3%股份，又以4200美元的價格把加州的MUMMT廠賣給特斯拉，合作目的就是為第二代RAV4EV開發鋰電池系統。

2010年，豐田鋰電池實現量產。

時隔6年，“東京第7屆國際二次電池展”上，豐田展示了新款“普銳斯”采用的鋰電池單元，由pEVE負責電池和模塊制造，日本靜岡縣的大森廠部分加工線負責加工電池正極為三元系材料(鎳、鈷、錳)的鋰電池，預計年產量可滿足20萬輛車使用。

該電池由2011年五月上市的“普銳斯α”采用的電池改進而來。通過削減電池單元的尺寸，將電池包容積減小了6%。因電池單元小型化，載流量由原產品的5.0Ah減至3.3Ah。

2018年，pEVE宣布將興建HEV用鋰電池新廠房，目標在2020年上半年將年產量擴增至現行的3倍至60萬臺。

至此，在與各方的合作過程中，豐田有關鋰電池的技術也有一定的積淀。

(4)豐田針對鋰離子現有問題作出的改善

豐田表示，要從2020年起陸續推出10款純電動車型，到2025年要實現旗下所有車型都擁有電動化版本。

但是，盡管鋰電池技術在不斷升級，但是鋰電池安全性問題一直飽受詬病。通常情況下，鋰離子電解質溶液一般在80度以上就會分析出現氣體膨脹，甚至導致爆炸或火災危險。

要實現純電動車銷量目標，豐田非得掌握更安全的技術。

所以，針對鋰離子充放電過程中發生的鋰離子偏移導致的實際可用容量變小問題。豐田發明了一種觀測辦法。

該辦法利用同步附屬的高強度X射線，實現每像素0.65微米的高辨別率及每幀100毫秒的高速測量，可觀察到鋰離子運動狀態。

由于X射線很難穿透重金屬元素，所以當鋰離子與其結合的時候，就可以通過觀察重金屬元素的運動來知道鋰離子的運動。

通過這種辦法，研發人員可以觀察到正負極、隔膜、電解液材料與構造等不同所導致的鋰離子運動，從而觀察不同材料、工藝、辦法對提高電池性能的用途，還可以分解電池性能降低的機理，為提高車輛續航及電池壽命做針對性研究。

雖然不能筆直改變鋰離子偏移的問題，但至少豐田能知道鋰離子運動的規律，這關于處理該類問題也是一個比較大的進步。

但是很多公司，嘗試把液體電解質改變成固態電解質來處理鋰電池存在的問題，豐田也在此范疇進行了嘗試。

因為在全固態電池中的固態電解質，即使在200度的情況下，也具有無法燃燒的阻燃性，并且可以承受80-150度高溫的耐熱性。

據日本NEDO研究數據聲明，現有的鋰電池pack中電芯的體積比率大概為20%-50%，倘若采用全固態電池，電池pack不要冷卻系統，體積能減小一半左右。

此外，刨去排氣和冷卻系統，能減少部分成本。

所以無論是從性能、安全和成本上考慮，固態電池成了豐田另一個選擇。

豐田曾公開表示，計劃在2020年前半階段實現固態電池的商業化使用。目前豐田在固態電池范疇的專利達252件，整個日本在該范疇的專利占世界總量的75%。

另一種技術嘗試：固態電池

但是，早期研發的固態電池由于輸出密度和能量密度都很低，遠遠沒有達到商業化水平，而緊要問題就是內部阻抗上升。

基于以上事實，豐田認為，造成內部阻抗上升緊要有4個問題：

(1)正負極的正級活性材料與固體電解質界面會出現電阻層；

(2)固體電解質層會變厚;

(3)正負極內的活性材料凝集;

(4)構成正負極或者電解質的固體顆粒之間會形成空隙。

對此，豐田進行了降低全固態電池的電芯內

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