车载全固态电池的日德竞争

作为“后锂电池”而备受期待的全固态电池的实用化竞争已拉开帷幕。在专利方面领先的丰田讨论2021年内公开试制车。德国大众与美国新兴企业展开合作,将于2024年前后开始生产可大幅延长纯电动汽车(EV)续航距离的电池。面对在现有电池生产规模上拥有很高份额的中韩企业,日德企业能否发挥技术方面的领先优势面临考验。

“全固态电池是锂离子电池开发的最终章”,大众的电池开发负责人弗兰克·布洛梅如此断言。大众正在与出资对象美国硅谷初创企业Quantum Scape合作开发全固态电池。

大众与新兴企业合作加快开发

全固态电池使用固体材料作为传输电的锂离子来回移动的电解质。与使用电解液的锂电池相比,不易发生短路,起火等风险小。其特点是电极和电解质交替排列,易于叠层化。因此,单位重量的能量密度比现有锂电池高,在电池尺寸相同的情况下,可以延长纯电动汽车的续航距离。

Quantum Scape的全固态电池使用金属锂作为负极,续航距离能比锂电池延长1.8倍,达到730公里。充电15分钟即可达到总电量的80%。据悉电池不易劣化,行驶38万公里之后,容量仍能保持最初的80%。

作为过渡至纯电动汽车的王牌,大众正在汲取新兴企业的相关技术,加紧推进全固态电池的实用化。计划2024~2025年开始量产。5月14日,Quantum Scape宣布,将在2021年内确定与大众合资设置试生产线的地点。德国北部是有力候选地。

最初的年产能为1吉(10亿)瓦时,之后计划增加20吉瓦时的产能。规模相当于目前欧洲电池总产能的一半多,可满足数十万辆纯电动汽车的使用需求。

德国宝马5月3日宣布扩大对美国初创企业Solid Power的出资规模。据悉Solid Power的全固态电池理论上可使续航距离最高达到锂电池的2倍。宝马计划于2022年采购测试用电池,2025年之前开始对配备全固态电池的车辆进行路测,2030年之前上市。

虽然德国厂商发起攻势,但在开发方面领先的企业是拥有超过1000项专利的丰田。丰田的目标是2020年代前半期将全固态电池推向实用化,目前正在讨论2021年内公开试制车。据计算,在与现有电池尺寸相同的情况下,丰田开发的全固态电池可使续航距离延长至2倍以上。丰田在电池开放方面与松下展开合作。此外,日产汽车将于2020年代后半期将全固态电池推向实用化。日产专务执行董事平井俊弘表示,“要推进大型车的纯电动化,今后需要采用这种技术”。

 成本是课题

全固态电池存在的课题是,目前成本被认为比锂电池高4倍以上。据美国福特汽车估算,目前纯电动汽车用锂电池的成本为每千瓦时约合1.3万日元,到2030年将降低到1万日元以下。另一方面,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)与丰田等合作的项目提出了这样的目标:通过确立量产技术和实现量产效果等,到2025年把全固态电池的成本降至每千瓦时1.5万日元,到2030年降至1万日元,达到与锂电池同等的水平。

降低成本的技术开发竞争已经开始。总部位于美国硅谷的新兴企业Sakuu Corporation掌握利用3D打印机制作全固态电池的技术,首席执行官Robert Bagheri 表示“我们能以竞争产品一半的成本进行生产”。日本零部件制造商武藏精密工业已向该公司出资。

电池在纯电动汽车成本中占比3~4成,是随着价格不断降低、规模决定胜负的代表性产品。中国宁德时代和韩国LG化学等中韩企业在锂电池市场占有超7成份额。日本电池系统开发企业ENAX社长三枝雅贵指出,“从成本方面来说,电池已成为中国的天下”。日企等希望借助技术实力,在全固态电池领域挽回局面。

日企在材料领域显示出存在感

据日本调查公司富士经济预测,到2035年全固态电池的全球市场规模将达到2.1万亿日元。在纯电动汽车用全固态电池备受关注的背景下,用于小型可穿戴设备等的市场也有可能扩大。

在智能手机零部件等方面拥有优势的村田制作所通过收购索尼集团的电池业务涉足了这一领域。村田力争运用电子零部件开发技术,将全固态电池应用在可穿戴设备上。2021年度内将在滋贺县野洲事业所设置量产线,面向可穿戴设备供货。计划最终使月产量达到10万个。

村田制作所生产的全固态电池使用氧化物作为电解质。与纯电动汽车电池中主流的硫化物相比,不适合大容量、高输出功率的用途,但可以像电子零部件一样配置在基板上,因此可通过缩小电池占用的空间,实现数字产品的小型化。村田此前一直为智能手机提供电路基板“Metro Circ”等新技术,为智能手机提高性能和缩小尺寸做出了贡献。村田制作所要将这种封装技术推广到电池领域。

村田的竞争对手TDK也已开始量产使用陶瓷技术的超小型全固态电池,并面向烹饪用温度计等供货。如果固态电池技术通过这些民用产品获得发展,就可以安全地贴身使用可穿戴设备,包括耳机、智能眼镜、戒指型终端和嵌入身体的终端。

在固态电池开发领域,日本企业纷纷推进相关材料开发。尤其是主要材料,三井金属在埼玉县的研究所启动了电解质的相关设备,出光兴产也在千叶县市原市新设了生产设备。日本电气硝子试制了正极材料使用结晶玻璃的电池,并提高了安全性。这些企业都在材料离子技术和树脂品质改进技术的应用等方面具备优势。

现有锂电池方面,日本化工企业一直掌握着“正极材料”、“负极材料”、“隔膜”、“电解液”4种主要材料,有观点认为,在这样的背景下,日企的优势也能在固态电池领域发挥作用。对日本的零部件厂商和材料企业来说,正式拉开序幕的电池革新是一次良机。

 

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