电动车和锂离子电池的动向 (3)

从锂离子电池向全固体陶瓷电池发展

2017/05/05

概要

 大众2016年6月宣布,针对柴油机丑闻和全球日益严苛的环境法规,制定了“TOGETHER-STRATEGY 2025”,到2025年为止将投放30多款EV。大众的目标是,到2025年销售2~3百万辆EV (大众总销量的20~25%)。将开发EV专用的MEB平台,2020年起投放车型。戴姆勒也宣布,到2022年为止将投放20款EV和PHEV (占总销量的25%左右)。宝马也宣布,到2025年为止,总销量的15~25%将是电动车。在美国,除了特斯拉以外,通用、福特也宣布到2020年为止将投放10~13款PHEV、EV。

 全世界电动车增加的趋势下、电池供应商纷纷争相增产锂电池和提高性能。
(电动车和锂离子电池的动向 (1)(2))

 据悉,要普及电动车,到2025年需要降低锂电池的成本、进一步提高能量密度、功率密度、快速充电能力。作为介绍Battery Japan主办的充电电池展研讨会的第3篇报告,本报告将介绍有望成为新一代电池的全固体陶瓷电池。

(VW MEBプラットフォーム:VW資料) (全固体電池の出力密度とエネルギー密度:Nature Energy資料)
(大众MEB平台:大众资料) (全固体电池的功率密度和能量密度:Nature Energy资料)



相关报告

电动车和锂离子电池的动向 (2):实现$100/KWh电池成本、500km续航里程的充电电池的开发竞争(2017年3月)
电动车和锂离子电池的动向 (1):2017年7月投产Model 3的特斯拉动态;B3公司对锂离子电池需求的预测(2017年3月) 
欧洲整车厂技术趋势:纯电动车 (2016年12月)
特斯拉汽车:50万辆的生产计划提前2年,到2018年完成 (2016年10月)



EV、PHEV增加:整车厂将战略方向转向自动驾驶和高亲和度的EV

 大众2016年6月宣布,针对柴油机丑闻和全球日益严苛的环境法规,制定了“TOGETHER-STRATEGY 2025”,到2025年为止将投放30多款EV。大众的目标是,到2025年销售2~3百万辆EV (大众总销量的20~25%)。将开发EV专用的MEB平台,2020年起投放车型。

 这是大众史上最大的一次战略方向转变。电动化方面的要点如下。

  • 战略方向转变至电动化战略
  • 到2025年为止投放30多款新款纯电动车
  • 将电池技术、车辆数字技术、自动驾驶技术培养成优势技术
  • 扩大新移动出行业务
  • 向未来项目实施数千万欧元的开发投资。投资金额将通过提高大众集团整体效率以及改良产品组合来产生
  • 计划到2025年实现7~8%的营业利润率、以及15%以上的ROCE (已投资资本回报率)
(VW 「TOGETHER-STRATEGY 2025」から:ポイントは2025年までの電動化)
(大众 “TOGETHER-STRATEGY 2025”:要点是到2025年实现电动化)

 戴姆勒也宣布,到2022年将投放20款EV、PHEV (总销量的25%左右)。宝马总销量的15~25%到2025年将变更为电动车。在美国,除了特斯拉以外,通用、福特也宣布到2020年为止将投放10~13款PHEV、EV。可以说,电动车在全球都出现了增加的趋势



电池容量增加:造成成本增加和充电时间增加的“重复劳动”

(Nissan ホームページより:急速充電30分)
(日产官网:快充30分钟)

 全球电动车增加的趋势中,电池供应商都争相增产锂电池和提高性能。
(电动车和锂离子电池的动向 (1)(2))

 提高电池的性能,会造成成本增加和充电时间的增加。目前日产聆风 (配套30KWh的锂电池),快充时,充至80%需要30分钟。日产汽车曾宣布将把快充装置的电压从50KW扩大至150KW,但即使这样还是要花费20分钟时间,与汽油车的便利性产生差距,成为纯电动车大量普及时有待解决的课题。





纯电动车的课题

车型 尾气清洁度 低碳特性 续航里程 充电时间 成本 将来潜力与课题
传统汽油车

普及效果大
50%的发动机高效化?

混合动力车 自主普及阶段
普及为日用品、低成本化
纯电动车 电池的高性能、低成本化
电源的低碳化
插电式混合动力车 车辆整体的低成本化
电源的低成本化
燃料电池汽车 氢气制造的低碳化
氢气填充设施的完善
清洁柴油车 尾气的进一步净化
混合动力化
天然气车 天然气填充设施的完善
降低成本、提高燃效
(◎  〇  □  △  ▲)
好←       →差

(出处:未来汽车动力系统委员会)



全固体陶瓷电池的研究:能量密度、功率密度都凌驾于锂电池之上

 目前主流的LIB (Lithium Ion Battery:锂离子电池) 在1981年启动研究,原型完成至商品化花费了10年时间。1995年随着Windows95的上市,随着IT社会的开启,一下子扩大了LIB的市场。之后,随着纯电动车趋势的兴起,中大型LIB的市场也在扩大。但是,目前仍存在若干问题有待解决,将持续开展研发,进一步提高性能。

 全固体陶瓷电池将电池的电解液从液体变成了固体,最早从1970年代就开启了研究。2016年,东京工业大学物质理工学院的菅野了次教授、丰田汽车的加藤祐树博士等人组成的研究小组发现了新的固体电解质,成功开发出电流密度高、前景看好的固体陶瓷电池。(Nature Energy 2016年4月号)

 据悉,该电池在能量密度、功率密度、快充特点方面符合用于纯电动车的理想需求。菅野教授在Battery Japan的演讲中,将全固体陶瓷电池比喻成半导体芯片。目前的锂离子电池相当于是真空管,使用液体的电解质,而全固体陶瓷电池则采用陶瓷的固体电解质,并进行层压得来。

(菅野教授講演資料から) (菅野教授講演資料から)
(MarkLines根据菅野教授演讲资料制作)
【目前的锂离子电池】 【全固体陶瓷电池】
(SNE research資料) (SNE research資料) (SNE research資料)
(相当于是真空管) (相当于是层压半导体芯片)
(MarkLines根据东京工业大学资料制作)



 全固体陶瓷电池的特征如下,非常适用于纯电动车的用途。

  • 能量密度、功率密度都优于目前的锂离子电池。
  • 可实现小型化。
  • 电解质具有较高的离子导电率,所以电池内部阻力较小。(适用于快充等)
  • 化学性质稳定 (无电解液),耐久性、可靠度、安全性高。

【全固体电池的功率密度和能量密度】
(出典:将来自動車動力システム委員会)
(Nature Energy 2016年4月号资料)



全固体陶瓷电池何时实现产品化?:跨越“死亡之谷”和“达尔文海”之后

(菅野教授講演資料から)
(菅野教授演讲资料)

 2011年~2016年,菅野了次教授等人发现的被称为LGPS家族 (锂、锗、磷、硫磺族) 的超离子导体,利用固体电解质,能发挥高于常规型锂离子电池的液体电解质的传导率。



全固体電池開発の歴史

(MarkLines根据菅野教授演讲资料及旭化成资料制作)
注) 魔鬼之河:从基础研究到应用研究之间的难关和障碍
死亡之谷:从应用研究到产品化之间的难关和障碍
达尔文海:从新业务或产品化到业务化之间的难关和障碍

 全固体陶瓷电池自1970年起开启研究,历时40年以上,发现前景看好的固体导体。之后,从研究阶段进入到产品开发阶段,将实现产品化。目前的锂离子电池从1981年开始研究,越过“死亡之谷”和“达尔文海”,到市场扩大需要14年。2030年至2040年前后,纯电动车市场有望成为全固体陶瓷电池独领风骚的舞台。

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关键词
全固体陶瓷电池、xEVs、电动车、快充、锂离子电池、大众、戴姆勒、宝马

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