讓電池「更大更便宜」

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【能源國富論】(3)讓電池「更大更便宜」

2013/04/08

【日經BP社報導】

一項極具潛力的技術正在誕生,日本將從汽車大國邁向「蓄能大國」。

       2012年10月,在歐洲最大的汽車廠商德國福斯公司總部的所在地沃爾夫斯堡,一位34歲的日本研究人員博得滿堂喝彩。他就是東京理科大學講師藪內直明,被選為大眾與德國知名化學企業BASF為了推動能源存儲技術的開發而設立的科學技術獎「Science Award Electrochemistry」第1屆獲獎者。

東京理科大學試製的鈉離子電池(左)與在德國領獎的藪內直明(右側照片左側)

       藪內的研究對像是「鈉離子電池」。

將海水中含量豐富的鈉用於電池內部的電極等。

也就是將如今廣泛應用於數位家電及電動汽車等領域的鋰離子電池中的鋰換成鈉。

大約2年前,電池學會對這項研究根本不予重視,而如今成了大有發展前途的技術,藪內稱,「今年在全球或將有約500篇相關論文發表」,日本在該技術研究領域大大領先。

全球多家大企業紛紛向藪內發出進行共同研究的邀請。

       鈉離子電池之所以受到關注,是因為其資源幾乎取之不盡用之不竭,易於降低成本。

如下表所示,雖然蓄電池技術各有優缺點,但鋰離子電池由於適合實現小型輕量化、可穩定進行大容量充放電,因此目前居首位。

不過,其面臨的瓶頸是,鋰的儲量在地殼中僅佔0.002%左右,是一種稀有金屬。

而且大多分佈于政局不穩的南美等地,日本目前全部依賴進口。

材料成本為鋰的20分之1

       相反,四週環海的日本是鈉的寶庫。

與藪內共同進行著研究的東京理科大學副教授駒場慎一說:「從材料本身的成本來看,鈉僅為鋰的20分之1。即使增加其他材料,成本至少也能降到原先的一半以下。」

       20世紀90年代,索尼公司等日本企業在全球率先實現了鋰離子電池的實用化,但眼下在南韓企業的攻勢下在市場上失利,就連索尼也有可能出售電池業務。

       不過,隨著新興市場國家經濟的發展,全球或將面臨能源短缺危機,可存儲能源的電池用途不再僅僅限於數位家電等領域。

蓄電池已在向有助於提高全社會能源效率、可用於汽車及風力發電等電力設備的大容量電池發展。因此,在成本及性能兩方面進行改善的餘地依然很大。

鋰離子電池領域也不安寧,日本企業有可能借助技術實力,再次憑藉電池席捲全球。

       在豐田汽車公司電池研究部從事鈉離子電池開發的中西真二堅定地說:「我們要開發的電池不僅是成本低,而且在性能方面也要達到與鋰電池同等或在其之上的水準。」

豐田推進研究的、色彩鮮艷的高電壓電極材料(電池研究部中西真二)

       豐田在於2012年10月舉行的學會上宣佈,在電池內部電極上採用「鈷磷酸鹽」的鈉化合物,可製造出電壓超過標準鋰離子電池的鈉離子電池。

從該化合物的結構來看,鈉易於從多個方向進出,電極間的電力流通更為順暢。

雖然還面臨大容量化等實現實用化的課題,但給人的印象是,鈉很有可能成為新一代電池的主角。

電池的主角從家電轉為汽車

       豐田正加速推進包括鈉電池在內的新一代電池研究。研究人員的目標是,推出充電一次可行駛500公里以上、性能可媲美汽油車的真正新一代汽車。

中西認為:「現在的鋰離子電池無法在維持後行李廂尺寸等目前汽車形狀的條件下,實現500公里的行駛性能。」

       研究主題涉及到了電池本身的結構。例如,將用於電力在電極間流通的電解液改換為固體電解質的「全固體電池」。這種電池通過串聯配置多個電極,提高電壓,可獲得更高的能量密度。
       在電池領域獲勝者將成為今後汽車行業的領軍者。

正因如此,像文章開篇提到的大眾一樣,全球汽車廠商都在努力拉攏相關研究人員,但電池的可能性並不僅限於此。

由於使用電池,那麼利用電動汽車就必須構築社會能源基礎設施,因此汽車廠商的商機應該會進一步擴大。

       日產汽車公司在全球率先實現了純電動汽車「LEAF」(聆風)的量產。

該公司負責尖端研究的技術策劃部部長佐藤學介紹道:

「LEAF配備的電池容量中,用於行駛的約為5成。最多可將剩餘的5成電力用於行駛以外的其他用途。」

一般情況下,駕駛汽車的時間在1天中僅佔1成左右。

汽車停放期間將存儲的電力供應給住宅的「LEAF to home」機制在喚起純電動汽車需求方面起了很大作用。

日產力爭構築包括利用「LEAF」(左)在內的電力系統(技術策劃部部長佐藤學)

       日產還將於近期開始進行實證實驗,通過將風力發電等與LEAF的蓄電功能組合起來加以應用,提高整個社會的電力消費效率。將電力需求較少的夜間所發電力存儲到停泊著的LEAF中,並在白天的用電需求高峰放電。

佐藤稱:「汽車將成為電力基礎設施的一部分。」

       LEAF的蓄電容量目前是普通住宅定置式蓄電池的幾倍,再加上日本汽車製造產業的優勢,因此成本競爭力較高。隨著純電動汽車的普及,還有望實現更大的量產效應,即便作為基礎設施蓄電池,汽車廠商也佔據優勢。如果以2030年純電動汽車保有量將達到500萬輛這一行業預測為前提,純電動汽車的供電能力可達到 2500萬千瓦。相當於日本國內最大電力消費的14%。

       此外,豐田和川崎重工業公司還在推進不利用蓄電池,而是把風力發電等所發的電力轉變成氫存儲起來的技術開發。這將大大地推動以氫為動力源,作為新一代汽車與純電動汽車同樣大有前途的燃料電池車的普及。

這些情況都表示,不僅是汽車,能源系統本身也有可能成為日本主要的出口產業。

       日本政府于2012年作為《綠色經濟發展戰略》的核心,設定了到2020年佔據全球蓄電池市場(20兆日元)5成佔有率的目標。通過成為「蓄能大國」,日本能夠從汽車立國發展到「汽車和能源立國」。

       日本企業為了在「資源貧乏國」生存下去而鍛鍊出來的製造實力也將在能源領域開花結果。

(《日經商務週刊》記者:田村賢司、伊藤正倫、山根小雪、北爪匡)

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■關鍵詞
資源/能源/新材料

■日文原文
エネルギー國富論3

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