碳中和技术解说：全固态电池~EV战争风暴

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摘   要：电动汽车（EV）作为运输脱碳化的王牌，全球为争取其霸权，正展开激烈的开发竞争。在下一代技术的核心——全固态电池方面，日本能否掌握主导权？

关键字：碳中和技术、全固态电池、电动汽车、燃料电池车、固体电解质、车载用电池

全球各大汽车制造商相继明确了电动汽车的销售战略和车载电池的开发战略。

德国大众汽车于今年4月宣布，到2030年，其电动汽车（EV）销量将占欧洲总销量的70%以上。为加速电动汽车的主要组件——电池单体（蓄电池的部件）的生产，大众将在欧洲建设6家工厂，年生产规模达到240GWh。

发表到2030年的EV搭载电池技术路线图的大众汽车集团技术负责人托马斯·施马尔

大众汽车集团于今年3月15日举办的首个“电池日（POWER DAY）”

（照片来源：大众汽车）

丰田汽车也在5月提出到2030年全球销售800万台电动车（EV和燃料电池车200万台）的目标，并宣布电池的生产能力将从现在的6GWh扩大到180GWh，提高至30倍。

点燃此次EV战火的是美国特斯拉。在去年9月的“电池日（Battery Day）”上，特斯拉宣布了可使电池成本减半的技术路线图，同时还宣布在2030年之前包含内部制造在内，将供应3000GWh（3TWh）电池的计划。特斯拉宣布该计划后，其他汽车制造商也开始认真制定EV相关计划。

削减超过30亿吨的CO₂

全球范围内EV开发竞争加剧的原因之一是全球汽车CO₂排放法规的严格化。目前，已有20个国家提出逐步废除以汽油和柴油为燃料的内燃机车。

将内燃机车替换成电动车后，削减CO₂的效果如何呢？国际能源署（IEA）预测，在结合了当前计划政策的公布政策方案中，2030年全球电动车数量将达到1.4亿辆，而在采取积极气候变化对策的可持续开发中，全球电动车数量还将进一步扩大到2.45亿辆。在后者的情况下，估计电动车的CO₂排放量为2.3亿吨，而相同数量的内燃机车的CO₂排放量为6.7亿吨，因此电动化可达到削减4.4亿吨CO₂的效果。根据美国能源调查公司Rystad Energy的预测，到2050年，EV将达到18亿辆，占全球汽车总量的88%，电动化可使CO₂排放量削减30亿吨。

2019年的全球电动车数量达到720万辆。预计在2030年，在采取积极气候变化对策的可持续开发方案中，可达到2.45亿辆，CO₂排放量为2.3亿吨。预计相同数量的内燃机车的CO₂排放量为6.7亿吨，因此可达到4.4亿吨的CO₂削减效果。在持续目前计划的公布政策方案中可削减1.85亿吨。

（来源：国际能源署（IEA）发行的《Global EV Outlook 2020》）

全固态电池成为主流

目前，车载用电池的主流是电解质中使用有机电解液的锂离子电池（LIB）。正极主要采用与钴、镍等金属复合而成的锂金属氧化物，负极主要采用碳或其合金等。

与此相对，全固态电池使用无机固体电解质代替有机电解液。正极使用镍和硫等，负极除了碳以外还使用金属锂和硅等。在现有的LIB中，表示单位体积的蓄电容量的能量密度为400Wh/L左右，但全固态电池的目标是其2～3倍。通过增大蓄电容量，可将一次充电行驶的续航距离从目前的400km左右提升到700km以上，同时还可缩短快速充电时间。

全固态电池的电解质为固体，其优点是具有优良的阻燃性和耐热性。LIB通常在电解质中使用具有可燃性的有机电解液，在温度达到80℃以上时，存在起火的危险，因此需要在电池包中设置冷却系统。但是，全固态电池的固体电解质即使在温度达到200℃时也不易燃烧，可以承受150℃的高温。全固态电池不需要冷却系统，因此可使电池小型化，从而搭载更多的电池包，有望进一步提高续航距离。

但是，在量产车载用全固态电池时，仍存在许多课题（如下图）。其难点在于反复充放电几百次后，正极内的正极活性物质与固态电解质的接触面上形成电阻膜，导致输出密度降低。同时，还存在固体电解质层膨胀等问题，因此在制作电池的组成单元——电池单体时，需要寻找各种解决方案。

全固态电池的构造及实现实用化的课题

反复充放电后，正极活性物质与固态电解质的接触面形成电阻膜，导致输出密度降低，因此需要在接触面上制作涂层。

（资料来源：NEDO《先进・创新型蓄电池材料评估技术开发（第2期）》中期评估分科会资料）

奔驰奋起直追丰田

丰田在全固态电池的研究开发方面领先一步。2011年，丰田与东京工业大学的菅野了次教授等人组成的研究小组展开合作，共同发现了一种“超离子导体”，在室温下，该导体中的锂离子在固体中的移动速度高于液体。通过该发现，能够制作一种电解质的离子电导率越高，能量密度越高的电池。菅野研究室相继发现了具有世界最高水平离子电导率的电解质材料，丰田正在致力于其实用化。2019年成功完成使用小型EV的实验行驶，目标是在20年代前半期实现其在商用车中的搭载。

在今年4月的上海车展上，丰田公开了EV新系列“bZ”的概念车，计划在2025年之前向市场投放7种车型，但未给出明确规格，包括是否安装全固态电池等。

另一方面，在欧美，奔驰正在针对实用化采取积极行动。负责车载用全固态电池开发的美国QuantumScape公司于今年5月宣布，在实证基础设施建设方面与大众达成了协议。工厂建设的有力候选地是大众的EV制造基地——德国的萨尔茨吉特。计划以年产1GWh的规模开始生产，到2024年左右开始商用生产，扩大至20GWh的规模。

业界相关人士认为，大众之所以下定决心对全固态电池的批量生产进行投资，是因为QuantumScape公布的电池芯的性能满足大众的技术要求”。从QuantumScape于今年1月公布的资料来看，由4组单体堆叠而成的多层单体在相当于行驶约22万公里时的450次充放电后，显示出90%以上的容量维持率。这表示，即使是长距离行驶也能充分确保电池的寿命（如下图）。

美国QuantumScape开发的全固态电池的层叠单体（左）和充放电的特性表（右）。堆叠4组单体而成的多层单体在相当于行驶约22万公里时的450次充放电后，显示出90%以上的容量维持率，表明即使长距离行驶也能保证电池寿命。

（资料来源：QuantumScape）

德国BMW和美国福特汽车也宣布将扩大对致力于全固态电池开发的美国初创企业Solid Power的投资。BMW计划在2022年采购用于实证的全固态电池，在2030年前发售搭载全固态电池的商用车。

利用标准化降低成本

目前全固态电池的焦点正在从实证阶段转移到批量生产。各厂家就如何用低成本制造能量密度高、且耐久性和安全性优良的电池正展开激烈的竞争。

丰田执行董事冈田政道生产本部长在结算说明会上表示：“关于车载用电池，重要的是如何缩短生产周期、以及如何缩小能源和资源的生产单位负荷。如果有必要，丰田也将独立制造电池生产设备。”丰田与松下成立了两家用于生产电池的合资公司，由此可以看出两家公司试图建设电池设计和工艺开发并行的内部制造体制。

■丰田内部制造的电池生产设备

为缩短生产周期并降低成本，存在自行制造电池生产设备的情况

（图片来源：丰田汽车）

理特咨询（Arthur D. Little）日本分公司的合伙人铃木裕人表示：“放眼世界，正在形成美国通用汽车公司和韩国LG电子、大众与瑞典的Northvolt或QuantumScape、丰田和松下、以及中国这4大势力板块。”其战略目的均是以主力EV为中心开发标准平台，通过电池以及零部件标准化实现低成本化。其中，电池占整个成本的比例较高，因此将推进电池标准化和“地产地消”的发展。

铃木表示：“欧洲不希望中国和韩国的电池制造商扩大市场份额，希望能培养当地的电池制造商。LIB是高价的进口产品，因此欧洲试图实现下一代电池内部生产。”

实际上，将车载用电池的研发定位为国家项目的国家有很多。不仅仅是欧洲、美国等发达国家，中国和东南亚的新兴国家等也在积极地投入人力物力研发车载用电池。

在日本，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）启动了车载用全固态电池开发的全日本项目“先进·创新型蓄电池材料评价技术开发（第2阶段）”（2018~2022年度），日本国内的大型汽车制造商和电池制造商、材料制造商正在进行合作研究。已成功开发出体积能量密度为450Wh/L的单层电池，目前正在致力于堆叠化技术，同时还致力于研发800Wh/L的下一代电池。

NEDO正在开发的全固态电池

（照片来源：NEDO）

全方位开发下一代电池

到2050年，EV无疑将成为移动出行的主角。日本的电池产业要生存下去，需要做什么准备呢？

SMBC日兴证券的分析家坂本博信表示：“电池供应链的范围很大。必须在此基础上创造一个物与信息有机流动的生态系统。要在激烈的EV开发竞争中获胜，必不可少的是缩短生产周期以及削减成本。”

全球对于锂和钴等稀有矿物的争夺战已经开始。对于电池制造商来说，原材料的供应就是关于生死存亡的问题。需要构建一个高灵活性供应链，包括矿山公司、商社、以及从事电极材料、电解质等零部件生产的材料制造商、化学制造商，甚至是废旧电池的再利用。

但是，坂本先生表示：“只关注日本国内汽车制造商的动向还远远不够。欧洲和中国的汽车制造商正积极提出EV的平台化。要在竞争中生存下去必须要关注他们的动向，同时开发符合海外标准的电池。”

松下和丰田的合资公司Prime Planet Energy＆Solutions按照丰田的开发战略开发电池的同时，也在考虑向海外的汽车制造商提供电池。目标是通过在批量生产线上导入丰田生产方式，并不断地致力于提高品质和生产性，成为在全球竞争中极具竞争力的电池制造商。

日本能否将世界顶级的材料研究和多年积累的电池制造技术延续到下一代，接下来才是关键。

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翻译：史海燕

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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