豐田的固態電池策略：明修棧道，暗度陳倉？

豐田汽車的策略似乎是「明修棧道，暗度陳倉」，一方面繼續研發氫燃料內燃機，另一方面卻直接推出充電 10 分鐘、續航 1200 公里的固態電池。這到底是怎樣的操作？ 在競爭激烈的中國電動車市場，豐田如果直接照搬比亞迪的操作，恐怕難以成功。 然而，現在卻聲稱在固態電池技術上遙遙領先，讓人難以置信。

豐田固態電池的宣稱

豐田宣佈最快將在 2027 年推出商用化的固態電池，號稱充電 10 分鐘，續航 1200 公里，甚至更高階的版本續航可達 1500 公里。這意味著可以從北京一口氣開到上海，徹底解決續航焦慮。

對官方文件的解讀

然而，仔細研究豐田發佈的官方文件，所謂的 10 分鐘充電，指的是從 10% 充電到 80%。 即使如此，仍然相當厲害。 豐田的意思是，其固態電池不僅充電速度快，而且續航里程長。

影響續航里程的因素

要達到 1200 甚至 1500 公里的續航里程，至少要考慮三個方面： 1. 電池組容量有多大。 2. 以什麼樣的工況行駛。 3. 搭載該電池的車輛能效如何。

只有這三個因素都達到理想狀態，1200 公里的續航里程才有意義。 目前，相關信息尚未公開，只能說續航里程肯定不一般，但豐田如何做到的，我們不得而知。 豐田只是簡單地表示 "Having discovered a technological breakthrough"，但具體是什麼突破，並未詳細說明，可能正在醞釀更大的計劃。

豐田在固態電池領域的技術積累

這項技術的潛在影響力巨大，因為豐田早在 2008 年前後就開始了固態電池的研究。 儘管豐田目前的電動車銷量不佳，但其技術儲備雄厚，僅固態電池領域就擁有至少超過 1000 項專利，居所有車企之首。 當然，專利並不代表一切，豐田的燃料電池專利更多，但路上卻很少看到 FCV 車型。

專利分析與技術推測

豐田究竟突破了什麼？ 通過谷歌專利檢索，查閱了大量 2020 年以後豐田發佈的與固態電池有關的專利文件，可以初步得出一些結論。 豐田的固態電池方案有 87.6% 的概率是這樣的：

• 正極：硫或硫的化合物，加上導電劑。
• 負極：金屬鋰，可能固定在由碳材料和塑膠構成的結構中。
• 電解質：一種鋰鹽成分的玻璃。
• 其他：正極與電解質之間、負極與電解質之間可能存在粘合劑或彈性塗層。
• 最重要：採用雙極型（Bipolar）設計。

固態電池設計的要領

固態電池與傳統電池最本質的區別在於電解質，從液態變為固態。 現在的電動車電池，例如三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池，使用的是電解液，即鋰鹽加有機溶劑，實際上是液體的。 然而，有機溶劑容易燃燒且有毒，因此固態電解質成為解決方案。

液態電解質與固態電解質的比較

液態電解質相當於游泳池，鋰離子游過去；固態電解質則相當於岩石沙地，鋰離子爬過去。 游泳速度快，但密度低；爬行密度增加，但速度慢。 此外，固態電解質與正負極的接觸面不是百分之百貼合，是硬碰硬，這帶來了兩個問題： 1. 鋰離子擴散太慢，導致內阻較大。 2. 硬碰硬，導致庫侖效率較低。

這些是固態電池面臨的痛點。

固態電池正負極的選擇

對於固態電池來說，因為是固態的，所以負極可以直接用金屬鋰。 原來的電池中，負極用石墨來嵌套鋰離子，現在沒有液體了，不用擔心純金屬鋰跟液體反應，可以直接在負極貼個鋰箔。

正極的選項有很多，甚至可以直接用空氣，讓鋰離子爬過來再沉積下來。 但鋰與空氣接觸太不穩定，所以還得封閉，需要一個容器。 目前比較靠譜的選項之一是硫元素，可以是單質，也可以是化合物，具體取決於技術方案。 硫元素的晶格結構像個籠子，可以接納很多鋰離子，並且可以保持穩定。

豐田固態電池的可能做法

根據上述分析，豐田可能的做法是：

1. 正極：硫及硫的化合物，加入導電劑。 加入導電劑是為了加快鋰離子進取的速度，因為硫單質是絕緣體，在吸納鋰離子的過程中生成的產物也都是絕緣材料，所以需要導電材料來增加效率。 導電材料大概率是碳，極有可能使用一種碳奈米結構作為正極的骨架，承載硫元素的同時增加電導率。 由於硫正極在充放電時的體積變化也非常大，所以也要考慮正極結構的穩定性。

2. 負極：金屬鋰，但可能會把它囚禁在一個碳材料和樹脂構成的結構中。 這是因為負極金屬鋰的溶解和析出過程會伴隨劇烈的體積變化，所以要用一個骨架來把它限制在有限的漲落空間中。 碳材料是骨架，樹脂提供一定的彈性空間。 這樣一來，負極的金屬鋰就可以在充放電過程中保持相對穩定的形態，同時能夠在一定程度上抑制鋰枝晶的生長。 但缺點也很明顯，那就是負極的厚度。

3. 電解質：固態電池的電解質是最關鍵的一環。 電解質基本分為氧化物、硫化物和鹵化物三大類。 氧化物研究較多，起步較早，但機械性能較差。 硫化物較軟，可以降低界面阻抗，但化學穩定性相對較差，而且窗口比較小。 鹵化物屬於目前最潮流的研究路線，機械性能好，化學窗口寬，離子電導率高，但技術過於先進，表現過於優秀，所以還停留在實驗室中。 因此，豐田大概率會選擇相對成熟的硫化物電解質，來取一個折中的選項。

固態電池的結構性優化

其實對於固態電池來說，結構性的優化就能帶來非常明顯的改進。 寧德時代的麒麟電池以及特斯拉的 4680 就是這方面的典型代表。 寧德時代和特斯拉是從 Pack 層面來做的，而固態電池的原理就允許進一步對單個電芯的內部結構，也就是 Cell 層面，進行結構性的優化。

豐田的雙極型電池設計

豐田的做法是 Bipolar 雙極型電池設計。 這個設計在目前豐田混合動力車型的鎳氫電池中已經開始應用了。 傳統的單極型設計，電池單元的厚度較大，而且電子的路徑很繞。 雙極型的意思就是在集流體的兩側分別塗布正極和負極，然後交錯堆疊。 這樣一來，電池單元的厚度就降低了，而且電子可以長驅直下。 固態電池的厚度本身就很低，所以這樣堆疊起來就能做一個超大容量的單體電芯，電壓就可以疊得很高。 在這個電芯中，可以通過填充一些樹脂材料來作為緩衝，以適應正負極可能存在的體積變化。

解決電解質與正負極接觸問題的技術

豐田的一份專利提出了一項技術，直接在電解質層中摻雜絕緣性的無機填充材料，簡稱為中空粒子。 這種粒子是可以壓扁的，相當於給電解質提供了一個緩衝空間。 當首次充電時，整個電芯內部會經歷一種結構變化，電解質層由於內含中空粒子，於是就可以被適當壓縮，以此來適應正負極的體積變化，類似於太極拳中的推手。

豐田花費很大精力來解決固態電池在結構上的穩定性問題，這個問題目前來說才是真正限制其商業化的短板。 至於能量密度，大概率不是從正負極材料上得來的，而是從電芯內部的結構優化得來的。 如果沒有結構優化，以現有的固態電池技術，其性能其實不會比現在的鋰離子電池高出太多。

豐田的電動車戰略展望

豐田所謂的技術突破，可能是一種可行性比較強的固態電池結構設計，至於材料方面，應該還是比較保守的。 但整體來說，豐田在電動車，尤其是動力電池路線上，還是略顯激進的。

豐田的電池技術迭代路線

從現有的 bZ4X 採用的電池來看，後續至少還會有三個迭代：

1. 現有電池：單極型方形鋁殼，正極為鎳鈷錳。
2. 下代電池：分為性能版和大众版。
   • 性能版：方形鋁殼，單極型設計，同樣是鎳鈷錳正極，基於現有版本進行了優化升級。
   • 大众版：採用雙極型設計，電芯造型將不是方形鋁殼，而是一個全新的大型單體電芯，將採用磷酸鐵鋰。
3. 第三代產品：將高錳路線與雙極型設計融合，進一步提升了能量密度。

先不用談固態電池，僅僅是高錳加雙極這兩項技術，鋰電池就差不多夠用了。 在此之外，固態電池就成了終極目標。 從原型產品來看，豐田目前的固態方案應該還是單極型，否則不可能是一個刀片造型。 設計固態方案加雙極型，這個難度可能會非常大。

技術儲備是一方面，電池也是一方面，能否在電動車市場站得住腳，還得看整車的產品力。 在傳統車企中，大眾、現代、通用等車企對於電動車的反應速度以及對產品力的打磨還是可圈可點的，唯獨豐田，實在是有點後知後覺了。