鉅大LARGE | 點擊量：675次 | 2021年09月23日
日本全面建立推進蓄電池高性能化體制
日本已全面建立了舉國推進蓄電池高性能化的體制。著眼于鋰離子電池的性能極限，日本將革新性的新一代蓄電池納入視野。舉國之力
2012年四月，在位于兵庫縣佐用町的日本理化學研究所(RIKENJapan)的大型同步輻射設施Spring-8里，采用了強力X線、同樣是世界唯一的蓄電池專用分析設施開始了運轉。中子束適用于對氫、鋰、鎂等輕原子的分析。而X線擅長的領域是錳及鎳等重原子。也就是說，假如將兩者合在一起，便可掌握構成蓄電池的所有原子的活動。
這個項目被命名為革新型蓄電池頂端科學基礎研究事業(RISING事業)，由日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)主持，研究團隊中包括京都大學等14家大學及研究機構、以豐田為代表的5家汽車公司、以及松下和日立制作所等共12家公司。NEDO蓄電技術開發室主任細井敬稱，該項目力爭實現舉國一致強化‘蓄電立國的日本’。
日本公司開發出了鋰離子電池，并在該領域一直領先于世界，然而在2011年，其世界市場份額卻被韓國公司趕超。但是，日本的蓄電池開發團隊下了決心，不會讓鋰離子電池重蹈半導體及液晶面板的覆轍。暫且把已大眾化(Commoditization)的電子設備用途的鋰離子電池放在一邊，要在用于純電動汽車(EV)及電力調整等用途的大型鋰離子電池領域搶先走在前面，借此奪回市場份額。日本政府提出的蓄電池戰略所描繪的發展藍圖是，要在2020年將上升到目前4倍的市場中，日本公司占據一半份額。
要實現上述目標，掌握關鍵的不言而喻是技術開發實力。蓄電池最重要的課題是能量密度。能量密度越大，單位重量可儲存的能源量也越多。NEDO的調查結果顯示，拿現階段已投入實用的EV鋰離子電池來說，能量密度為100～120Wh/kg，估計平均每千瓦時的成本約為10萬日元。順便提一下，日產汽車2010年上市的量產EVLEAF(聆風)上配備的蓄電池(模塊)為86Wh/kg。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
NEDO項目提出的目標是：以2020年前后為限，使能量密度新增到250Wh/kg，將平均每千瓦時的成本降低到約3萬日元。也就是說，用大約10年時間將能量密度提高到2倍以上，成本則降至三分之一以下。
250Wh/kg的能量密度是蓄電池領域的專家們估計出的鋰離子電池可實現的上限數字。也是此次開發力爭實現的目標。
那么，要怎么樣實現這一目標呢？
可以說，蓄電池的開發就是一個高新材料技術集大成的過程。其中，重要的因素為正極、負極以及負責使離子在兩極間移動的電解質這三者。
鋰離子電池通過使在充電時從正極溶出(脫離)的鋰離子經由電解質移動(吸留)到負極一側，將電能轉化成化學能，并儲存起來。放電時，反過來使鋰離子從負極移動到正極，由此釋放電能。
日本的優勢
提高能量密度的一個方法是，探索并開發出1個化學式中所含的鋰量較多、其中在充放電時從電極脫離變成離子的比例較高的物質。
出于這種思路，作為正極材料，鈷酸鋰及鎳酸鋰之類被稱為層狀氧化物的材料等成了重要的研究對象。
材料開發過程中，經常伴隨著不能按照理論實現性能的困難。雖然鈷酸鋰是成為層狀氧化物原型的代表性正極材料，但電量方面卻只能達到理論容量的一半。這是因為，當結晶中的鋰變成離子開始脫離時，結晶構造便會崩潰。于是，通過用鎳、錳及鋁置換鈷酸鋰中的部分鈷等方法，開發能夠使結晶保持到理論容量附近的材料便成了焦點。可在多大程度上對材料的微細構造進行精密控制，決定著開發的成敗。
要提高蓄電池的能量密度，在提高電極材料電量的方法之外，還有一個方法是增大蓄電池內部的電位差。
由于層狀氧化物存在隨著電量提高，電位差也會增大的傾向，因此，在這一點上來看，是一種具有乘積效應的最佳材料。
可是，這里又面對著新的障礙。
當內部的電位差達到一定程度，目前使用的液狀電解質便會分解。新電解質的開發也勢在必行。在開發電極材料的同時，與此前截然不同的固體類電解質等的開發也在取得進展。
精密制造技術
雖然都統稱為鋰離子電池，但用于電子設備的小型電池與用于EV及電力領域的大型電池內部完全不同。除非電極、電解質等蓄電池核心材料全都實現技術突破，否則能量密度便無法得到提高。而且，已投入實用的電池還要確保安全性、延長可反復使用的壽命以及降低成本等。NEDO蓄電技術開發室主任釘野智史說：只有克服了錯綜復雜的多種障礙后，才有可能實現大型化。
材料開發是一個進行反復嘗試的過程。以踏踏實實積累起來的知識及相關相關經驗為基礎，日本的研究團隊在一個臺階一個臺階地向上攀登。假如沒有這些積累，便不可能實現長足進步。
雖然在小型蓄電池的量產方面被韓國公司趕超，但日本公司擁有在發明了鋰離子蓄電池、從零開始進行培育的過程中積累起來的開發專有技術。在實現蓄電池的大型化方面，借助2個最頂端分析設施實現反應機制的可視化，將加快積累知識相關相關經驗的速度。
萬事俱備
日本的優勢不僅僅是電極、電解質等核心技術的研究開發。精通蓄電池技術的日本首都大學東京(TokyoMetropolitanUniversity)教授金村圣志說：只有日本能夠備齊構成蓄電池的所有材料。韓國等的公司有很多材料、原料是從日本公司購買。
例如防止電極間短路的隔板，東麗等原材料廠商的實力很強。
并且，電極是將原料粉末與用來粘合粉末的粘合劑化學品進行混合，涂覆在集電體(鋁箔及銅箔)上制造而成。鋰離子電池所用的粘合劑要與電極原料粉末之間具有微妙的兼容性，吳羽公司(KUREHA)及日本瑞翁公司(Zeon)等日本化工公司幾乎壟斷了其生產。
供應鋰及屬于金屬化合物的正極材料原料粉末的是日亞化學工業公司、戶田工業公司等日本的電子材料公司。
雖然日亞化學作為藍色LED的開發公司而為人所知，但它原本是一家憑借用于熒光燈及顯像管的螢光材料發展起來的公司，以制造化合物粉末見長。戶田工業是一家從生產名為氧化鐵紅、用于涂料的紅色顏料起步，憑借用于磁帶的磁性體粉末等發展起來的公司。在日本，支撐蓄電池發展的化工及材料相關產業基礎雄厚，具有可發揮綜合實力的土壤。
很多電池業內人士指出，韓國公司之所以在鋰離子電池領域迅速發展，其背后原因是日本的技術外流。
然而，無法斷言今后同樣的事情不會重演。假如這樣，日本公司只能在技術方面繼續保持領先。
在鋰離子電池領域，實現了現在要達到的目標能量密度之后，力爭實現的下一個目標也已確定。在NEDO制定的技術路線中，將2030年以后定位為革新性蓄電池的實用化期。
上述革新性蓄電池之一是金屬空氣電池。這種電池通過使空氣中的氧元素離子化，并使其向金屬負極移動來進行蓄電。從理論上說，能量密度能達到500Wh/kg，相當于鋰離子電池極限的2倍。
采用X線及中子束的最新分析設施在開發新一代蓄電池方面也將成為強有力的。日本通過采用總體戰式的蓄電池戰略，將取得的成果絕不會小。
