Bateria de estado sólido da Toyota - novos avanços e história do desenvolvimento
Em termos de produção em massa, custo e fabrico, a bateria de estado sólido sempre enfrentou muitos desafios. Quem ultrapassar os problemas de custos e de produção em massa assumirá a liderança na conquista do mercado. De acordo com o Financial Times, a nova Bateria de estado sólido Toyota será produzido em massa em 2027. Com a produção em massa da bateria de estado sólido da Toyota, toda a indústria de veículos eléctricos poderá dar início a uma nova ronda de inovação.
Índice
Novas descobertas da bateria de estado sólido da Toyota
De acordo com um relatório da Financial Associated Press, a Toyota disse em 4 de julho de 2023 que fez um grande avanço em bateria de estado sólido tecnologia. O peso, o volume e o custo da bateria de estado sólido da Toyota serão reduzidos para metade e a duração da bateria pode atingir 1.200 quilómetros após um carregamento de 10 minutos ou menos. E o processo de produção da bateria foi bastante simplificado, reduzindo o custo da tecnologia da próxima geração.
A Toyota, o segundo maior fabricante de automóveis do mundo, já está a seguir um plano para lançar veículos eléctricos com a avançada bateria de estado sólido da Toyota até 2025.
Kaida Keiji, presidente do Centro de I&D Carbono Neutro da Toyota, afirmou: "Quer se trate de uma bateria líquida ou de uma bateria de estado sólido, o nosso objetivo é alterar completamente a situação atual em que as baterias são demasiado grandes, demasiado pesadas e demasiado caras. Em termos de potencial a este respeito, esforçar-nos-emos por reduzir estes factores para metade".
Kaida salienta que a empresa desenvolveu formas de melhorar a durabilidade das baterias e acredita que pode agora criar baterias de estado sólido com uma autonomia de 1.200 quilómetros e um tempo de carregamento de 10 minutos ou menos. David Bailey, professor de economia empresarial na Universidade de Birmingham, acredita que, se as afirmações da Toyota forem verdadeiras, este poderá ser um momento marcante para o futuro dos veículos eléctricos.
História do desenvolvimento da bateria de estado sólido da Toyota
A Toyota é reconhecida na indústria como um dos fabricantes mais poderosos no domínio das baterias de estado sólido. A Toyota sempre aderiu à rota do sulfureto no domínio das baterias de estado sólido e já possui mais de 1.000 patentes. Já em agosto de 2020, os veículos eléctricos Toyota equipados com baterias de estado sólido obtiveram licenças e iniciaram os testes de condução.
Apesar da sua forte força técnica, a investigação da Toyota no domínio da bateria de estado sólido da Toyota não tem sido fácil, e o tempo de produção em massa da bateria de estado sólido da Toyota foi adiado várias vezes. Atualmente, a bateria de estado sólido da Toyota definiu o tempo de produção em massa para 2027-2028. Pode ver-se que a investigação e desenvolvimento e a produção em massa de baterias de estado sólido são difíceis, e a persistência e insistência da Toyota em baterias de estado sólido também são vistas.
Até 2025, a bateria de estado sólido da Toyota atingirá uma produção em massa em pequena escala e será utilizada pela primeira vez em modelos híbridos. Até 2030, a bateria de estado sólido da Toyota deverá atingir uma produção contínua e estável.
"Durante o processo de desenvolvimento, ficámos a saber que os iões da bateria de estado sólido se movem a alta velocidade na bateria para atingir uma elevada potência, e esperamos que esta caraterística possa ser utilizada em veículos híbridos para tirar partido das vantagens das baterias de estado sólido", afirma a Toyota.
Em 2021, a Toyota Motor anunciou que, até 2030, deverá investir 1,5 biliões de ienes no desenvolvimento de baterias eléctricas e na sua cadeia de fornecimento de baterias, com vista a assumir a liderança nas principais tecnologias automóveis na próxima década e a manter uma competitividade duradoura no preço dos veículos eléctricos e híbridos.
O Ministério da Economia, do Comércio e da Indústria do Japão anunciou, em 16 de junho de 2023, que irá conceder subsídios para o investimento planeado pela Toyota em baterias.
Um dos subsídios é a bateria de fosfato de ferro e lítio (LFP), embora também desenvolva vigorosamente a bateria de estado sólido, que é considerada uma forte candidata para a próxima geração de baterias, mas a Toyota acredita que a bateria de fosfato de ferro e lítio pode ser produzida a baixo custo é a chave para a estratégia eléctrica, por isso planeia acelerar o desenvolvimento.
Prevê-se que o montante total das actividades relacionadas com os veículos eléctricos da Toyota que são objeto de subvenções atinja cerca de 330 mil milhões de ienes, dos quais 117,8 mil milhões de ienes serão fornecidos pelas subvenções do Ministério da Economia, Comércio e Indústria do Japão.
A Toyota irá aumentar a capacidade de produção anual em 25kwh, reforçando as linhas de produção de baterias para veículos eléctricos, incluindo a fábrica de Himeji da Prime Planet Energy&Solutions (PPES), uma empresa de baterias financiada conjuntamente com a Panasonic Holdings.
Vantagens da bateria de estado sólido
O ânodo de bateria de iões de lítioO cátodo, o cátodo e o eletrólito (eletrólito e diafragma) são os três componentes importantes das baterias de iões de lítio líquido. As baterias de estado sólido, como o nome sugere, substituem o eletrólito líquido por um sólido. O materiais para pilhas Os materiais normalmente utilizados são sulfuretos, polímeros e óxidos, e o ânodo da bateria pode também ser substituído por lítio metálico.
A maior vantagem desta conceção é o facto de poder aumentar a densidade energética da bateria. Uma vez que a densidade dos sólidos é muito superior à dos líquidos, a densidade energética das baterias de estado sólido é, pelo menos, o dobro da das baterias de iões de lítio líquidas. Por exemplo, a densidade de energia da bateria CATL Kirin é de 255 Wh/kg, e a bateria de estado sólido pode facilmente atingir 500 Wh/kg.
Ao mesmo tempo, como o metal lítio na bateria de estado sólido pode ser utilizado diretamente como ânodo, não só é melhor do que o elétrodo negativo de grafite tradicional, como também não necessita de separador de baterias de lítio e outras estruturas, ou seja, pode tornar a bateria mais leve e mais fina.
Além disso, a estabilidade das baterias de estado sólido é muito maior do que a das baterias de lítio líquido. É fácil para as baterias de lítio líquido aparecerem dendritos de lítio no seu interior depois de serem utilizadas durante muito tempo. É como uma agulha que cresce lentamente para fora do cátodo e se torna cada vez mais comprida com o tempo.
Quando é suficientemente longo para perfurar o separador, a bateria entra em curto-circuito. Uma vez danificada a bateria devido a forças externas, é fácil perder o controlo da temperatura sob a influência de um curto-circuito e de temperaturas elevadas, acabando por provocar fumo, incêndio ou mesmo explosão da bateria.
Os electrólitos das baterias de estado sólido são polímeros, óxidos, sulfuretos, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, não são fáceis de volatilizar e, basicamente, não há risco de combustão espontânea. Mesmo que a força externa realmente penetre e perfure, há uma grande probabilidade de não ocorrer uma combustão espontânea rápida e uma explosão, o que significa que a bateria de estado sólido tem mais vantagens na segurança da bateria de iões de lítio.
Dificuldades na produção em massa de baterias de estado sólido
De acordo com o relatório de investigação da Huatai Securities, estima-se que o mercado global de baterias de estado sólido ultrapassará os 300 mil milhões de RMB em 2030. Perante um mercado tão vasto, todos os países estão a planear ativamente aproveitar a oportunidade.
Há trinta anos, o Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos Estados Unidos, afirmou ter criado uma bateria de estado sólido, mas infelizmente não conseguiu atingir a produção em massa até à data. Nos últimos dois anos, com a popularidade dos novos veículos de energia no mundo, as empresas têm relatado repetidamente o progresso da produção em massa de baterias de estado sólido. Por detrás do mercado de baterias de estado sólido, existem ainda muitas deficiências que não podem ser ignoradas.
A produção em massa de baterias de estado sólido enfrenta muitos desafios, tais como problemas de materiais, problemas de interface e problemas de engenharia. É também um obstáculo difícil para os fabricantes de baterias, porque o custo atual das baterias semi-sólidas é muito mais elevado do que o das baterias líquidas comerciais.
De acordo com a investigação e os cálculos da indústria, tomando como exemplos as pilhas líquidas NCM811 e as pilhas semi-sólidas NCM811, o custo das pilhas semi-sólidas é cerca de 80% superior ao das pilhas líquidas. Entre eles, o custo do eletrólito sólido é o principal custo novo e o principal custo das pilhas semi-sólidas, representando cerca de 50%.
Devido a factores como alterações nos materiais electrolíticos, alterações nos processos de produção e longos ciclos de verificação de engenharia causados por uma experiência insuficiente no controlo da qualidade dos produtos, as baterias de estado sólido custarão mais do que as baterias de estado semi-sólido.
Para avaliar se uma bateria eléctrica pode ser produzida em massa no final, existem principalmente cinco indicadores, nomeadamente a densidade energética, o desempenho da taxa de carga-descarga, o custo, a segurança e o ciclo de vida. Os resultados da investigação laboratorial sobre as baterias eléctricas permitem, em geral, um grande avanço num ou vários indicadores numa determinada fase, e a produção em massa só é possível se os requisitos dos cinco indicadores forem cumpridos em simultâneo.
Por conseguinte, o avanço tecnológico da bateria de estado sólido da Toyota tem um significado de grande alcance para a indústria dos veículos eléctricos.
Novos progressos na tecnologia global de baterias de estado sólido
Embora a tecnologia das baterias de estado sólido ainda enfrente muitos desafios, continua a ser o objetivo perseguido pela indústria das pilhas de lítio. As empresas japonesas foram as que mais investiram em baterias de estado sólido a nível mundial, incluindo a Toyota, que detém o maior número de patentes de tecnologia de baterias de estado sólido.
A boa notícia é que, de acordo com os relatórios, o Professor Ma Cheng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China desenvolveu um novo tipo de eletrólito de estado sólido. O seu desempenho global é semelhante ao dos electrólitos de estado sólido de sulfureto e cloreto mais avançados, mas o custo é inferior ao 4% deste último. Adequado para aplicações industriais.
Embora tenha uma grande vantagem em termos de custos, o desempenho global do oxicloreto de zircónio e lítio é comparável ao dos electrólitos de estado sólido de sulfureto e cloreto mais avançados.
As experiências provaram que a bateria de lítio de estado sólido composta por oxicloreto de zircónio e elétrodo positivo ternário com alto teor de níquel demonstrou um excelente desempenho: sob a condição de carregamento rápido durante 12 minutos, a bateria continua a fazer ciclos com sucesso à temperatura ambiente durante mais de 2000 ciclos.
De acordo com os investigadores, o oxicloreto de zircónio e lítio pode atingir um desempenho semelhante ao dos electrólitos de estado sólido de sulfureto e cloreto mais avançados ao mais baixo custo atual, o que é de grande importância para a industrialização de baterias de lítio de estado sólido.
Hailey
Olá, sou a Hailey. Desde que me licenciei com o meu mestrado em física, dediquei-me à indústria das baterias de lítio e trabalhei com engenheiros de baterias de lítio para concluir vários projectos de conceção e fabrico de baterias de lítio. Com base nos conhecimentos electrónicos como engenheiro de baterias de lítio durante mais de 4 anos, sou agora o principal responsável pela redação de conteúdos sobre baterias de lítio e gostaria de partilhar as minhas opiniões convosco.
Bateria de estado sólido da Toyota - novos avanços e história do desenvolvimento
Novas descobertas da bateria de estado sólido da Toyota
De acordo com um relatório da Financial Associated Press, a Toyota disse em 4 de julho de 2023 que fez um grande avanço em bateria de estado sólido tecnologia. O peso, o volume e o custo da bateria de estado sólido da Toyota serão reduzidos para metade e a duração da bateria pode atingir 1.200 quilómetros após um carregamento de 10 minutos ou menos. E o processo de produção da bateria foi bastante simplificado, reduzindo o custo da tecnologia da próxima geração.
A Toyota, o segundo maior fabricante de automóveis do mundo, já está a seguir um plano para lançar veículos eléctricos com a avançada bateria de estado sólido da Toyota até 2025.
Kaida Keiji, presidente do Centro de I&D Carbono Neutro da Toyota, afirmou: "Quer se trate de uma bateria líquida ou de uma bateria de estado sólido, o nosso objetivo é alterar completamente a situação atual em que as baterias são demasiado grandes, demasiado pesadas e demasiado caras. Em termos de potencial a este respeito, esforçar-nos-emos por reduzir estes factores para metade".
Kaida salienta que a empresa desenvolveu formas de melhorar a durabilidade das baterias e acredita que pode agora criar baterias de estado sólido com uma autonomia de 1.200 quilómetros e um tempo de carregamento de 10 minutos ou menos. David Bailey, professor de economia empresarial na Universidade de Birmingham, acredita que, se as afirmações da Toyota forem verdadeiras, este poderá ser um momento marcante para o futuro dos veículos eléctricos.
História do desenvolvimento da bateria de estado sólido da Toyota
A Toyota é reconhecida na indústria como um dos fabricantes mais poderosos no domínio das baterias de estado sólido. A Toyota sempre aderiu à rota do sulfureto no domínio das baterias de estado sólido e já possui mais de 1.000 patentes. Já em agosto de 2020, os veículos eléctricos Toyota equipados com baterias de estado sólido obtiveram licenças e iniciaram os testes de condução.
Apesar da sua forte força técnica, a investigação da Toyota no domínio da bateria de estado sólido da Toyota não tem sido fácil, e o tempo de produção em massa da bateria de estado sólido da Toyota foi adiado várias vezes. Atualmente, a bateria de estado sólido da Toyota definiu o tempo de produção em massa para 2027-2028. Pode ver-se que a investigação e desenvolvimento e a produção em massa de baterias de estado sólido são difíceis, e a persistência e insistência da Toyota em baterias de estado sólido também são vistas.
Até 2025, a bateria de estado sólido da Toyota atingirá uma produção em massa em pequena escala e será utilizada pela primeira vez em modelos híbridos. Até 2030, a bateria de estado sólido da Toyota deverá atingir uma produção contínua e estável.
"Durante o processo de desenvolvimento, ficámos a saber que os iões da bateria de estado sólido se movem a alta velocidade na bateria para atingir uma elevada potência, e esperamos que esta caraterística possa ser utilizada em veículos híbridos para tirar partido das vantagens das baterias de estado sólido", afirma a Toyota.
Em 2021, a Toyota Motor anunciou que, até 2030, deverá investir 1,5 biliões de ienes no desenvolvimento de baterias eléctricas e na sua cadeia de fornecimento de baterias, com vista a assumir a liderança nas principais tecnologias automóveis na próxima década e a manter uma competitividade duradoura no preço dos veículos eléctricos e híbridos.
O Ministério da Economia, do Comércio e da Indústria do Japão anunciou, em 16 de junho de 2023, que irá conceder subsídios para o investimento planeado pela Toyota em baterias.
Um dos subsídios é a bateria de fosfato de ferro e lítio (LFP), embora também desenvolva vigorosamente a bateria de estado sólido, que é considerada uma forte candidata para a próxima geração de baterias, mas a Toyota acredita que a bateria de fosfato de ferro e lítio pode ser produzida a baixo custo é a chave para a estratégia eléctrica, por isso planeia acelerar o desenvolvimento.
Prevê-se que o montante total das actividades relacionadas com os veículos eléctricos da Toyota que são objeto de subvenções atinja cerca de 330 mil milhões de ienes, dos quais 117,8 mil milhões de ienes serão fornecidos pelas subvenções do Ministério da Economia, Comércio e Indústria do Japão.
A Toyota irá aumentar a capacidade de produção anual em 25kwh, reforçando as linhas de produção de baterias para veículos eléctricos, incluindo a fábrica de Himeji da Prime Planet Energy&Solutions (PPES), uma empresa de baterias financiada conjuntamente com a Panasonic Holdings.
Vantagens da bateria de estado sólido
O ânodo de bateria de iões de lítioO cátodo, o cátodo e o eletrólito (eletrólito e diafragma) são os três componentes importantes das baterias de iões de lítio líquido. As baterias de estado sólido, como o nome sugere, substituem o eletrólito líquido por um sólido. O materiais para pilhas Os materiais normalmente utilizados são sulfuretos, polímeros e óxidos, e o ânodo da bateria pode também ser substituído por lítio metálico.
A maior vantagem desta conceção é o facto de poder aumentar a densidade energética da bateria. Uma vez que a densidade dos sólidos é muito superior à dos líquidos, a densidade energética das baterias de estado sólido é, pelo menos, o dobro da das baterias de iões de lítio líquidas. Por exemplo, a densidade de energia da bateria CATL Kirin é de 255 Wh/kg, e a bateria de estado sólido pode facilmente atingir 500 Wh/kg.
Ao mesmo tempo, como o metal lítio na bateria de estado sólido pode ser utilizado diretamente como ânodo, não só é melhor do que o elétrodo negativo de grafite tradicional, como também não necessita de separador de baterias de lítio e outras estruturas, ou seja, pode tornar a bateria mais leve e mais fina.
Além disso, a estabilidade das baterias de estado sólido é muito maior do que a das baterias de lítio líquido. É fácil para as baterias de lítio líquido aparecerem dendritos de lítio no seu interior depois de serem utilizadas durante muito tempo. É como uma agulha que cresce lentamente para fora do cátodo e se torna cada vez mais comprida com o tempo.
Quando é suficientemente longo para perfurar o separador, a bateria entra em curto-circuito. Uma vez danificada a bateria devido a forças externas, é fácil perder o controlo da temperatura sob a influência de um curto-circuito e de temperaturas elevadas, acabando por provocar fumo, incêndio ou mesmo explosão da bateria.
Os electrólitos das baterias de estado sólido são polímeros, óxidos, sulfuretos, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, não são fáceis de volatilizar e, basicamente, não há risco de combustão espontânea. Mesmo que a força externa realmente penetre e perfure, há uma grande probabilidade de não ocorrer uma combustão espontânea rápida e uma explosão, o que significa que a bateria de estado sólido tem mais vantagens na segurança da bateria de iões de lítio.
Dificuldades na produção em massa de baterias de estado sólido
De acordo com o relatório de investigação da Huatai Securities, estima-se que o mercado global de baterias de estado sólido ultrapassará os 300 mil milhões de RMB em 2030. Perante um mercado tão vasto, todos os países estão a planear ativamente aproveitar a oportunidade.
Há trinta anos, o Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos Estados Unidos, afirmou ter criado uma bateria de estado sólido, mas infelizmente não conseguiu atingir a produção em massa até à data. Nos últimos dois anos, com a popularidade dos novos veículos de energia no mundo, as empresas têm relatado repetidamente o progresso da produção em massa de baterias de estado sólido. Por detrás do mercado de baterias de estado sólido, existem ainda muitas deficiências que não podem ser ignoradas.
A produção em massa de baterias de estado sólido enfrenta muitos desafios, tais como problemas de materiais, problemas de interface e problemas de engenharia. É também um obstáculo difícil para os fabricantes de baterias, porque o custo atual das baterias semi-sólidas é muito mais elevado do que o das baterias líquidas comerciais.
De acordo com a investigação e os cálculos da indústria, tomando como exemplos as pilhas líquidas NCM811 e as pilhas semi-sólidas NCM811, o custo das pilhas semi-sólidas é cerca de 80% superior ao das pilhas líquidas. Entre eles, o custo do eletrólito sólido é o principal custo novo e o principal custo das pilhas semi-sólidas, representando cerca de 50%.
Devido a factores como alterações nos materiais electrolíticos, alterações nos processos de produção e longos ciclos de verificação de engenharia causados por uma experiência insuficiente no controlo da qualidade dos produtos, as baterias de estado sólido custarão mais do que as baterias de estado semi-sólido.
Para avaliar se uma bateria eléctrica pode ser produzida em massa no final, existem principalmente cinco indicadores, nomeadamente a densidade energética, o desempenho da taxa de carga-descarga, o custo, a segurança e o ciclo de vida. Os resultados da investigação laboratorial sobre as baterias eléctricas permitem, em geral, um grande avanço num ou vários indicadores numa determinada fase, e a produção em massa só é possível se os requisitos dos cinco indicadores forem cumpridos em simultâneo.
Por conseguinte, o avanço tecnológico da bateria de estado sólido da Toyota tem um significado de grande alcance para a indústria dos veículos eléctricos.
Novos progressos na tecnologia global de baterias de estado sólido
Embora a tecnologia das baterias de estado sólido ainda enfrente muitos desafios, continua a ser o objetivo perseguido pela indústria das pilhas de lítio. As empresas japonesas foram as que mais investiram em baterias de estado sólido a nível mundial, incluindo a Toyota, que detém o maior número de patentes de tecnologia de baterias de estado sólido.
A boa notícia é que, de acordo com os relatórios, o Professor Ma Cheng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China desenvolveu um novo tipo de eletrólito de estado sólido. O seu desempenho global é semelhante ao dos electrólitos de estado sólido de sulfureto e cloreto mais avançados, mas o custo é inferior ao 4% deste último. Adequado para aplicações industriais.
Embora tenha uma grande vantagem em termos de custos, o desempenho global do oxicloreto de zircónio e lítio é comparável ao dos electrólitos de estado sólido de sulfureto e cloreto mais avançados.
As experiências provaram que a bateria de lítio de estado sólido composta por oxicloreto de zircónio e elétrodo positivo ternário com alto teor de níquel demonstrou um excelente desempenho: sob a condição de carregamento rápido durante 12 minutos, a bateria continua a fazer ciclos com sucesso à temperatura ambiente durante mais de 2000 ciclos.
De acordo com os investigadores, o oxicloreto de zircónio e lítio pode atingir um desempenho semelhante ao dos electrólitos de estado sólido de sulfureto e cloreto mais avançados ao mais baixo custo atual, o que é de grande importância para a industrialização de baterias de lítio de estado sólido.