充電時間不超過15分鐘，使用30年以上保留九成性能
設計 / 趙昊然
如果所有的事情都按照原來的計劃進行，那麼東京現在應該在舉行夏季奧運會，而作為這次奧運會主要贊助商之一的豐田汽車將是活動的焦點，這家車企將展示下一代電動出行領域的重要技術：固態電池。
新冠疫情可能破壞了2020年東京奧運會的計劃，但豐田的工程師卻沒有受到影響。這家公司的電池專家已經按照計劃成功製造出固態電池的樣品，而且已經安裝到概念車上。
豐田動力系統公司執行副總裁兼電池業務總經理Keiji Kaita表示，由於東京奧運會被推遲到2021年，現在還無法確定樣車何時正式亮相。Kaita談論了這種固態電池技術的前景以及阻礙其商業化的障礙。
對固態電池持支持態度的人士認為，這種電池是邁向電動化未來的重要一步。固態電池組不容易受極端温度的影響，其能量密度有望達到目前鋰離子電池的兩至三倍。
固態電池用固體電解質替代液體電解質，並且有望比現在的電池更輕、壽命更長、更安全，價格比目前市面上的電池更便宜。Kaita説，試驗的固態電池樣品的充電速度比目前的鋰離子電池快得多。
不過豐田的固態電池樣品仍然面臨一些挑戰。首先，由於安全和耐用性問題，工程師們尚未利用電池的真正潛力來提高能量密度。
Kaita説：“為了克服各種侷限性，我們正在研究如何調整陽極或其他材料。對於發現的不足之處，我們正在努力避免。”
固態電池的樣品是堅硬的板狀薄片，尺寸和厚度與螺旋筆記簿差不多。研究人員將電池密封在袋子裏面以便防潮，然後排列成電池組。
Kaita説，樣品電池進行充電時，從零到充滿需要的時間不到15分鐘，耗時大幅低於容量相同的鋰離子電池充電所需要的時間，這是除了高能量密度外的另一個優勢。
豐田正專注於使用基於硫的電解質，因為這種電解質似乎可以讓鋰離子在電極之間更有效地轉移，不過仍然存在的挑戰是，需要開發一種電解質，既可以緊密地壓實，又能保持柔韌性。
固體電解質需要在高壓下壓實，從而減小顆粒之間的間隙，以便離子和電子可以很容易通過，但是這種電解質還需要具有柔韌性，因為陽極在放電過程中會膨脹和收縮，所以電解質必須留一點空間。
其中的問題在於，膨脹和收縮的空間越大，電解質顆粒變形的可能性就越大。隨着時間的推移，這種變形會抑制離子和電子的流動並降低電池的性能。這其中的關鍵是開發一種不會輕易變形的材料。Kaita説，通過新材料或新設計可能實現突破。
這種固態電池的製造過程也存在挑戰，特別是電池必須在超乾燥的非水環境中生產。
現在，這些固態電池是在一個名為手套箱的透明盒子中製造，工人們通過緊密嵌在盒子上的橡膠手套將手伸入箱子裏面。因此，這種固態電池的生產過程緩慢，無法進行大規模生產。
豐田汽車正在通過該公司與松下合資的Prime Planet Energy＆Solutions Inc.開發這種固態電池，這家合資公司在4月份開始運營，現在有大約5100名員工，其中包括中國子公司的2400名員工。
這家合資企業的任務之一是製造和銷售汽車固態電池。Kaita説，豐田仍有望在2025年實現有限數量的生產。
由於生產規模較小，這些固態電池最初的成本將高於鋰離子電池。他推測，在最初生產的幾年裏，這種固態電池的產量將保持在非常低的水平。他説，要想與內燃機動力系統競爭，這種電池的成本必須降到遠低於每千瓦時100美元的水平。
豐田的目標是，這種電池經過較長時間的使用後，仍然能夠保持90%的原始性能，這讓該電池的研發過程變得更加複雜。
Kaita説：“這可以通過調整電池的性能來實現，也可以通過控制系統或冷卻系統來實現，或者我們使用電池的方式或充電的方式可能幫助實現這個目標，整體的觀點非常重要。”