当固态电池技术在本世纪中期开始大规模生产时,消费者就会面临这种情况。丰田希望领先一步,在合作伙伴松下的帮助下,将许多固态电池电动汽车原型投入使用。
拥有 1000 多项与固态技术相关的专利,丰田将 187 亿美元投资中的大部分用于其发展和最终的大规模生产。不难理解为什么。固态电池相对于当前锂离子设计的优势是显而易见的。固态单元更安全,具有更高的能量密度,减小尺寸和重量,并且可以在更宽的温度窗口中运行。
锂离子电池使用液体电解质溶液,如果管理不当或损坏,可能会膨胀或自燃。这些事件很少见,但确实会发生。对于某些锂离子电池,十年后多达三分之一的存储容量会下降。
在两种电池设计中,电解质都是一种化学混合物,它允许电流在阴极和阳极(或更简单地分别为带正电和带负电的电极)之间流动。在锂离子电池中,这种隔膜是一种液体溶液,而固态电池则使用固体电解质。
当出现问题时,液体电解质会导致那些壮观且难以计量的火灾。固态替代品缓解了所有这些问题,并大大增加了电池中可以存储的电量。这为制造商提供了两种选择;减小电池的尺寸,节省空间和重量而不损失能量,或通过增加输出保持当前尺寸。
近半个世纪以来,人们已经知道固体锂金属阳极增加能量密度的事实,但直到现在我们才拥有使其成为现实的技术。这是因为将锂金属与液体电解质一起使用有形成石笋状结构的风险,这些结构可能会刺穿阳极和阴极之间的隔板,从而导致严重的化学爆炸。
现在有多种固态电解质可用作陶瓷隔板,并且具有相同的导电性而没有爆炸的风险。
三星非汽车用固态电池原型的能量密度为每升 900Wh,而最好的锂离子电池每升只能达到大约 700Wh。该公司表示,将其用于电动汽车,一次充电可让汽车行驶 800 公里。1000 次充电的生命周期使电池的使用寿命达到 800,000 公里。你叔叔的陆地巡洋舰可能很难匹配。
更进一步,大众汽车持有 5% 股份的美国 QuantamScape 去年年底发布的一项研究表明,其固态电池的能量密度超过 1000Wh/L。
最重要的是,电池可以在 15 分钟内充电至 80% 的容量,同时在 800 次充电循环后仍能保持其容量的 80% 以上。秘密?纯锂金属作为阳极。该电池的生产规格版本预计要到 2024 年才会出现。
丰田的说法很简单。是等效锂离子装置的两倍,同时在 30 年后仍能保持其 90% 的性能。丰田继续其大胆的声明,表示其固态电池将能够在短短 10 分钟内从零充电到充满电。丰田表示,其固态电池要到 2025 年才能实现量产。
与固态军备竞赛中的其他人一样,这是因为虽然该技术几乎已准备好大规模使用,但生产能力尚未达到。与当前的电池不同,固态单元在制造过程中需要不同的机械和技术。此外,根本没有足够的原料锂生产——世界上的原料锂量是有限的(见突破)。
丰田还拥有政府资助的优势。日本政府设立了 2 万亿日元(247 亿澳元)的资金储备,用于资助制造商开发新的脱碳技术的努力。大部分资金将用于固态电池,特别是购买所需的锂。此外,两家日本矿业和石油公司三井金属和出光高佐正在建设生产固体电解质的基础设施。
这一切都是为了在电池生产军备竞赛中获得优于中国和韩国的优势,超过当前锂离子设计的下一代技术的全球市场预计将从每年 5360 万美元增长到 34.6 美元2035 年将达到 10 亿。