丰田Toyota公司2024电动化战略更新

技术路线百花齐放，工业化推进直面挑战——雄安eTranportation/NESET会固态电池专场参会分享 两周前在雄安参加了欧阳明高院士组织的eTransportation期刊的电动交通大会（NESET），整个大会内容范围很广，覆盖了整个交通+能源转型的众多子领域，比如动力电池、电动汽车（乘用车/商用车）、燃料电池/氢能、电动船舶、电动飞行器等等，可以说是一次行业内的内容盛宴。不仅如此，这次来参会的人也是非常的多，给提供了一个特别好的社交social的机会，笔者也与很多久未见面的业内朋友（很多上次见面是疫情前了）得到了宝贵的面对面交流的机会，所以总体来说是一次非常好的会议，值得参加。在诸多会议专场中，固态电池专场是笔者觉得比较有意思的一场，在这里主要给大家分享一下各位嘉宾介绍的东西和笔者的一些简评，抛砖引玉，也期待大家的更多讨论。截图来自于现场拍摄的各位嘉宾的PPT照片。 以及声明：本文为个人业余时间所写，不代表任何公司组织的立场。 1.崔光磊：高能锂电池失效机理及解决策略 从技术体系/文章发表来说，崔老师这做的应该一直是聚合物为主的固态电池体系，在深水电源方面已经有了很多成功应用的实例（网上可搜），然后现在应该也是在积极地培育企业，向动力电池方向发力。 “刚柔并济”、“三相渗流”可以说一直是崔老师的文章中重要的概念，这也是他们做固态电池的核心技术路径：常常是3D氧化物材料/甚至是硫化物材料与高分子电解质形成的具有渗流的3D结构复合材料。众所周知，氧化物电解质本身的机械性能偏“硬”，对于形成良好的界面有些困难，而相对柔性的高分子体系则是固态电池电解质体系里最“软” 也是对于制做界面最方便的体系。把这两种材料复合起来，可以互相取长补短，也算是经典的复合材料制备方向了。 笔者对这一个方向其实存在的主要问题还是：1）氧化物和高分子电解质体系的本征电导都算不上很优秀，复合后当然理论上可以依靠一些微结构设计来提升复合材料的电导，但是能提到什么程度呢？2）3D结构的复合材料电解质层，不知道在做轻薄化上是不是有挑战，毕竟相对复杂的渗流结构有可能对于结构的要求偏高和精细，而对标传统隔膜10微米左右的厚度，我们的新的复合固态电解质是不是也能做这么薄呢？毕竟固态电解质本身并非活性材料，如果不能做薄，就要占据过多的体积和质量，对于最终电池的能量密度提升是很不利的。 基于高分子电解质材料的原位固化技术自然是目前固态电池的一个重要的技术方向，也是崔老师组一直深耕的领域，崔老师在这里也具体的介绍了一些设计高分子电解质的思路，比如具有不同的性质的结构单元有机结合制备的新型体系，也就结合了这几种结构单元各自性能带来的优点。当然在这里笔者并不知道目前高分子电解质体系是不是已经产生了明显的突破，已经有了如当年PEO材料一样那个年代能够挑（起码一部分）大梁的大当家。也期待在这里以后能有机会向大佬们继续多学习。 还有一块主要介绍的就是对于更新的LPSC硫系电解质界面的改性，在这次报告中提到了用LiZr2(PO4)3对正极包覆，来改善于LPSC电解质的兼容性。这个工作本身思路还是比较常见的，不过这可能还是说明了硫化物体系的各种稳定性问题（正极，负极，空气等），看来还是得继续下功夫改善。 2.吴凡：全固态电池关键材料及技术研究进展 吴老师组实力雄厚，文章很多，在这里介绍的相对宏观整体（如何从更高高度分析硫系固态电池体系的未来），然后更聚焦的方面，这个报告里主要介绍了一个“硬炭支持锂硅合金抑制枝晶生长”的技术，不过因为内容较多介绍的时间又短，笔者并完全消化——这里锂硅合金是典型的用来容纳锂的传统硅负极呢，还是只是一层缓冲界面层为了调控锂金属负极的枝晶生长呢？可能还需要后面有机会再学习一下。 不过话说回来，目前硫系全固态电池发展的确比几年前更热了（部分估计也是受丰田的固态电池商业化宣称的刺 激+本身的技术扩散和发展的影响） ，不过该体系是否能够应付的了界面方面挑战更大的高硅含量/纯硅负极体系？而且锂金属这个最难伺候的主是不是靠上硫系就一定能解决问题还是说会问题叠加更多呢？在这方面笔者还是很期待进一步的技术突破以及向工业化转化的实际进展的。 3.路俊：锂氧气电池：从开放体系到封闭体系 简单说就是传统的锂空气电池是锂和空气中的氧反应，这当然会带来一系列的问题，比如空气污染等，而且净化空气/带个氧气瓶子对于该技术的实用化来说也不现实。而这里路老师介绍的是一个新的体系：干脆就不再产生O2了，全部都是体系内部自己解决不与外界发生物质交换，所以叫“封闭体系”，反应式为： 2Li2O <-> Li2O2 + 2Li+ + 2e- 这个体系的理论比容量为1345Ah/kg，电压是2.88V，可以说从反应机理上把传统锂空的一大堆复杂的空气体系给做了一个简化，这个偏前瞻的技术领域还是值得长期关注的。当然，以上反应式中本身一堆不同固态材料相的体系电导、界面、锂沉积怎么做，肯定也应该有不少工作还要再做。 4.许晓雄：全固态锂电池研发进展和发展趋势浅析 许老师的报告很有意思，简单说就是硫系全固态有一些问题，比如空气中的稳定性（与水会反应并产生有毒H2S），以及主要原料Li2S的制备难度和成本上的问题。许老师也是业内的大佬了，他直接从产率和价格预期上给出了一个判断：Li2S降到100万/吨难度太大了，目前良率也比较糟糕，方向上即使是丰田宣称恐怕也难言靠谱。当然包括笔者个人，也认为日本这几年不靠谱的事干的的确也是多，所以丰田这个是真的闭门做出了牛逼东西，还是放烟雾弹，这个也真的是有待持续追踪，笔者本人也没什么头绪。 从个人观点上，本人对于新技术其实一直也有偏保守的态度，所以对许老师说的问题的存在这一点上起码我是认可的。当然这次会议中，笔者发现其实固态电池几个方向的进展都有很多，氧化物、聚合物、硫化物都在前进，并没有发现说哪个方向明显要压倒其它的征兆，总之还是值得不断关注。 然后从自己的质本方面，锋锂/赣锋还是坚持自己的混合固液体系，该体系的性能比较均衡，应该算的上六边形战士。不过传统锂离子电池体系这些年发展也是非常快，所以对于混合固液/半固态体系来说，现在面临的问题已经应该是：需要上一线与传统锂离子体系开展肉搏了。 5.龚正良：高比容量氧化物正极全固态锂电池及其界面研究 这个报告就特别偏纯学术研究，毕竟Li2RuO3这种带着个贵金属的富锂正极材料肯定就不是奔着实用化去的…… 6.薄首行：全固态电池力电耦合反应机制 薄老师的工作真的是有深度、有机理、有意思。他这里的工作会侧重于物理/表征手段有很多，提出了不少新型表征固态电池力学性能/行为的技术，比如光声成像来在线监测锂金属沉积、包括传统电池的产气过程：2D光信号进去，3D的界面信号出来可以成像，对于研究应力、裂纹的演化可以说是好用的大杀器了。 笔者认为，好的表征手段对于我们研究明白一个技术的机理至关重要，因此意义重大。此外这次会议中其实各种新型表征手段（相比于我们一直都知道的那些吧，也可能是对于工业界新但是学术界已经觉得很成熟了：））的工作非常多，比如光纤置于电芯内部/表面，能对气体产生、应力变化等进行表征，比如超声波研究注液、浸润均匀性等等。相信这些技术的发展对于我们更好地了解电池技术内在机理和做优化，给我们更好的武器来表征电池和控制质检电池的稳定工业化生产，都会是很有意义的。 此外薄老师还针对Li-Sn/In等合金负极进行了它们与固态电解质界面匹配策略方面的研究，从力、电多场耦合的背景出发，分析什么样的体系配对能有比较好的效果。在这里他认为：锂负极和电极质的配对最好一软一硬，这样才能在界面搭配上取得好的配合效果。这应该说是一个很有意思的工作，当然笔者更期待看到典型固态电解质体系与锂金属、硅负极甚至只是石墨方面的配对的深入研究，毕竟合金金属太贵了点：）7.俞会根：固态电池核心材料与装备俞总的报告和以往李泓老师的风格很不一样，这次非常偏向实际生产工艺和设备，看来卫蓝应该目前也在努力的向量产和工业化方向努力，攻克固态电池量产实用的最后难关。 整个报告涉及了很多氧化物固态电解质浆料的测试，从这里来看卫蓝的技术应该涉及到了正极里混合氧化物电解质制备Catholyte（可能最大），以及也有可能是涂布隔膜（可能性不知），还有进一步的做氧化物陶瓷电解质片（个人认为可能性很小，这个对于现有体系技术影响变化太大，也没听说卫蓝会这样做）。 8.程新兵：高安全热响应固化电解质 程老师这里介绍的内容和其它的人风格并不太一样，他这里的可聚合的高分子电解质并不是用来做固态电解质的，而是在电池温度升高的安全临界值时才启动聚合，这样可以在即将发生热安全事故时触发该安全保护机制，从而明显提高热失控的T1、T2温度（71->137， 100->203)。所以虽然机理相似（都是原位聚合），实际效果用途并不一样。这个工作还是有些意思的，当然具体这个触发温度怎么设计（低了影响电池一般工作，高了就没有安全保护效果了），以及与传统电池体系的兼容性，还是需要进一步深化研究的。 比较有意思的工作。 9.周伟东：聚合物基固态电池关键材料 设计了一种新型的同时对正负极稳定的氟化聚草酸酯高分子电解质（既然这一点值得提，所以估计还是一般的聚合物体系的正负极兼容性还是没完全解决）。而且还针对这个体系已经开始做了100kg级的中试生产。不知道这个材料的电导率是不是还可以进一步提升，工作本身还是挺有意思的。 10.梁剑文 ：卤化物电解质体系全固态电池的设计与开发 梁老师在这里先回顾了一下卤化物材料的一个发展历程：17年的时候电导还只有10-6S/cm，22年就突破到了10-2（也许这就是最近这一年多这个体系火起来的主要原因？）。然后后面的工作，既有理论计算+结构设计，又有些具体的研发和工业化的进展。 梁老师的思路有一点我特别认可：就是明确的说了降本方向，拓展非稀土类的价格低廉材料体系，这样相比传统稀土体系可以成本下降9成以上（又是稀土又是铟啥的真是不知道量产后成本怎么算，以及不知道丰田这块是不是解决明白了）。而且梁老师这里的低成本卤化物体系目前也已经有5类体系，10多种材料已经达到了公斤级制备，欢迎行业内同仁开发和应用验证，也是很有意思，值得关注的。11.任东生：硫化物全固态电池复合电极测试评价方法探讨欧阳老师组的工作一向深入、理论扎实，而且能把很多先进方向的进展与工业实用化最本质的需求做好结合。在这里其实任博就做了一个深入具体的工作：固态电池是不是一定是本征安全的呢？ 比如LATP电解质加入正极中，做出的电池的T1、T2只会有所延后，发生热失控时温升速率会有所放缓，但是改善效果并非显著。以及在这里他对比了几种机理，发现还是原位固化对于半固态体系的安全提升效果最为有效。 另外还更具体地展示了全固态电解质——硫化物与811正极放在一起时的热安全情况，发现其实他们之间也是有明显的放热反应的，而且不同的硫系电解质的放热反应行为也不太相同。 所以实际上，说全固态电池就本征安全这可能也言之过早，很多机理和危害方面的东西是有待深入研究的。 12.王建涛：全固态电池及关键材料 报告的前面部分比较偏行业宏观综述，后面的是国联研究院的具体工作，比如通过“富锂和硫空位”双重作用，使材料达到了14mS/cm的高电导（似乎是目前行业最高值？），然后工作温度可以降到-65oC，以及材料稳定性有了一定的改善，-40度露点干燥房中可以批量稳定应用，还建立了国内首条吨级硫化物电解质的产线，并相应用这些电解质材料开发了300/400/500Wh/kg的全固态电池。 从进展上看起码在材料/理论层级是非常好的进展了，期待在全电池/大电池以及批量化放大，解决行业本征核心问题（比如锂金属的寿命，成本控制，可制造性方面）为全固态电池的实用化带来惊喜。13.李峥：全固态电池及关键材料清陶是业内的著名企业了，而且最近与上汽的深度合作宣布也是很吸引眼球，在这个报告里清陶主要还是介绍了两大块内容：1）全固态把能量密度明显提升达到400Wh/kg以上接近500；2）全固态成本比2027年同期水平的（三元）锂离子电池降低40%。这两个目标如果能达成实现工业化，对于行业无疑会造成剧烈的影响。 从细节上看，可能出于项目保密的的原因，这两方面准备怎么更为具体做到，目前没有更多的信息。以成本下降40%这一点为例，因为笔者在乙方工作时曾经做过电芯成本拆解和报价方面的工作，对于成本组成结构和BOM等还是有一些理解的，在这里简单分享一下。 锂离子电池市场上其实对于电芯的价格（XX元/Wh）都有非常透明的价格说明，哪一块成本有多少，还能再挤出多少来总体上来说并无明显的秘密可言。对于固态来说，可能它要成本明显下降，笔者在这里就大胆猜测一下，需要：1）使用LNMO这样的低成本正极（也可能是富锂锰固溶体）；2）电解质制备问题彻底解决（如前所述许老师陈述的目前存在的困难）；3）电芯结构设计能趋近于传统锂离子电池把所有潜力都挖掘出来；4）量产使用的工艺也实现极大简化（比如所有的新技术全用上了，什么干电极，然后叠片/卷绕工艺简单，不用再用隔膜了，化成工艺也很简单，等等）。所以笔者仍然非常期待着一些超出自己有限认知的技术走向成熟，为我们的行业带来新的惊喜。 14.余金秋：环境敏感型固态电解质材料工程化制备技术挑战与思考 很具体的具体对于卤化物、硫化物量产工业化的要解决问题的探索和思考，还是很有参考意义的。 15.朱高龙：硫化物全固态电池产业化分析及关键技术研究进展 清华团队孵化的固态电池企业，目前一代硫化物全固态电池可以达到330Wh/kg，硫化物膜 厚度只有20um，已经有了Ah级软包。目前国内已经有几家更新的固态电池新势力在开发初代Ah级硫系全固态电池样品，非常期待他们中可以产生新的重量级选手，做出好的技术。 小结：参会的几个主要感想1）总体来说固态电池学术界对于工业界/汽车客户的需求更清楚了，更深入的合作都在开展，产品也在不断进化（尤其是半固态体系），但是的确半固态体系实际上是与传统锂离子电池在一个赛道中强竞争，是否能够卷出一片天值得跟踪关注。 2）全固态硫化物体系的进展很快，几年前大家就是做个小样品，现在已经是材料好多中试生产以及有了Ah级电芯。不管怎样技术的进步是值得期待的，不过丰田的宣称最后能兑现多少，这个领域有的一些本征挑战如何解决（比如电解质稳定性、锂金属界面，压力等问题）还是需要再观察。 3）各种技术方向都有研究（氧化物/高分子/原位固化/硫化物），百花齐放，目前没有明显发现哪个方向是特别明显的唯一解，这场“马拉松”值得持续观察。 来源：弗雷刘