日本初創企業電池研發追趕世界3強

2020/08/06


       圍繞新一代電池最有力候選的爭奪不斷升溫。從純電動汽車(EV)到無人機,動力源的主角仍是鋰離子電池,但日本初創企業瞄準新一代電池正展開激烈的技術研發競爭。有的在電極和催化劑研究上追求極致,有的則改變著眼點把目標放在超越鋰離子電池上。充電電池是日本産業的傳統強項,但近年來受到中韓企業的擠壓。

         

      橫濱市可謂是日本新一代電池研發的「梁山泊」(人才聚集之地)。源自東京都立大學的初創企業3DOM就坐落於此。從松下等大型機電廠商還有汽車製造企業辭職、尋求新發展的技術人員集結於此。公司成立之初,技術人員只有東京都立大學教授金村聖志一人,如今已達到70人,在最近一年裏翻了一番。

  

      「能讓我們測試一下性能嗎?」「我們希望與貴公司合作」,從歐美車企到無人機製造商,3DOM公司接到的諮詢源源不斷。該公司的目標是2022年將「金屬鋰電池」投入實用。

   

      在美國新設工廠,為新一代電池佈局

       

      金屬鋰電池作為鋰離子電池的替代品的性能已經獲得驗證,在相同重量下,金屬鋰電池的輸出能量可以達到鋰電池的2倍。這種電池具有大幅提升純電動汽車續航距離的潛能,同時還瞄準了飛行汽車用途。

       

      目前,鋰離子電池的電極(負極)主要使用碳材料,而3DOM公司採用的是金屬鋰。該材料具有可輕鬆增加電容量的優點,同時也存在可能短路起火的缺點。

      


  

      起火原因是一種叫做「枝晶」(Dendrite)的現象,由於化學反應不均衡,晶體會在負極表面呈柱狀生長。3DOM自主開發出了不易發生這種現象的隔膜(絕緣材料)。表面像蜂巢一樣井然有序地排列著直徑數百奈米(1奈米為十億分之一米)的球狀孔。通過使離子穿過的孔的大小和位置一致,實現了總體均勻的化學反應。

       

原松下的技術人員支撐著3DOM的電池研發

    

      材料使用耐熱聚酰亞胺樹脂,即使溫度達到攝氏400度也不會起火燃燒。3DOM公司目前在美國西雅圖郊區生産鋰離子電池,2021年還將在美國新設另外一家工廠,為生産新一代電池進行佈局。

    

      在純電動汽車和無人機等不斷普及的背景下,作為動力源的鋰離子電池市場保持著持續增長的態勢。與此同時,以進一步擴大容量、追求安全性、延長壽命等為目標的新一代電池研發也在如火如荼地開展中。

  

      據日本調查公司富士經濟預測,2035年全球新一代電池市場規模將超過2.7萬億日元,而2020年的預測值為42億日元,未來預計將掀起一股發展大潮。車載電池居全球份額首位的中國寧德時代新能源科技(CATL)、排名第二的松下、還有在面向歐洲汽車的電池方面擁有優勢的韓國LG化學的三大廠商也在大力開發新一代電池。

   

      其中,小型化和快速充放電性能出色的「全固態電池」被視為最為有力的競爭産品。豐田和松下等都在實施開發,日本的初創企業也不甘落後,已宣佈開發新一代産品。位於仙台市的AZUL Energy就是其中之一。該公司大力開發的不是成品形式的電池,而是左右電池性能的材料。

      

      瞄準無人機用途

       

      「這種顏料拿來當催化劑使用是不是很有趣?」2017年對於研究電池的學生的突發奇想,日本東北大學材料科學專業的準教授藪浩表示「幾乎沒有將顏料用作電池催化劑的實例」,但也預感到了實現的可能性。

  

      藪準教授關注的是金屬空氣電池。該種電池的正極反應材料使用空氣中的氧氣,負極反應材料為金屬。這種電池能儲存達到鋰離子電池3~10倍的電能並進行放電,被稱為「終極電池」。

  


   

      不過,金屬空氣電池一次能夠提取的電流很小。即便充放電性能再出色,如果輸出功率小的話,也不適用於純電動汽車等用途,目前,金屬空氣電池90%的用途是助聽器。藪準教授嘗試用鐵類顏料代替主流的錳作為電極的催化劑,結果發現,一次可提取的電流增加了2~3成。他準備進一步提高這種電池的性能,爭取在無人機等上配備。AZUL Energy則打算借助這種催化劑,與電池製造商進行聯合研發。

   

      AZUL Energy聘請富士底片的原技術人員伊藤晃壽擔任負責人。對於藪準教授的邀請,伊藤一開始心裏很矛盾,但最後下決心「挑戰大企業不願意涉足的新領域」。

      

 AZUL Energy將顏料用作電池催化劑

   

      京都市的初創企業AC Biode的電池與眾不同。正如其名「交流電池」,這種電池不是普通的直流電,而是通過交流電充放電。從原理上來説,充電一次的續航時間比同樣大小的鋰離子電池長3成。該公司2019年獲得了以歐盟(EU)機構為母體對創新性能源研究提供援助的InnoEnergy(荷蘭)的投資。

   

      交流電是電流方向和電壓按一定週期發生變化的方式,主要用於輸電供電和大功率電機。電池一般通過轉換器將交流電轉換為直流電儲存起來,而電動機等設備則將電取出後再恢復為交流電使用。但將交流電轉換成直流電時,會損失1~2成的電能。據稱,如果是交流電池的話,不僅可以減少電能損耗,而且壽命達到鋰離子電池的兩倍。

   

      位於京都府精華町的企業Connexx Systems正在大力研發把燃料電池和空氣電池(鐵-空氣電池)的原理結合在一起的「SHUTTLE Battery」。讓氫和氧發生反應可以生成電,該公司則利用鐵遇水發生生銹反應來製造氫氣。為了能將氫氣供應給燃料電池進行充放電而進行了改進。

   

      鋰離子電池過去一直是日本一家獨大的領域,但近年來日本的領先地位正在被中韓企業奪走。不過,日本在主要構件上仍然技高一籌,在電池隔膜市場,旭化成和東麗約佔3成份額。正極材料方面,住友金屬礦山等日本企業也具有優勢。

   

      儘管初創企業也有一定機會,但在車載用途方面,大型電池廠商和汽車製造商建立了密切的關係,要從中插足並非易事。熟悉電池市場的日本瑞穗銀行的湯進認為「要想在競爭中取勝,關鍵在於和同行業的大型電池廠商還有客戶聯手,迅速擴大生産規模」。當初創企業解開生存下去的方程式之時,或許新一代電池的大門也將開啟。

       

      日本經濟新聞(中文版:日經中文網)大阪經濟部 梅國典

    

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