日本挑戰續航1000公里的電動車電池

2020/08/12


      一次充電可行駛1000公里(在日本相當於從東京至福岡的距離)的純電動汽車(EV)能否實現?作為超越現在的鋰離子電池的蓄電池,「氟化物離子電池」正在成為強有力候選。日本京都大學和豐田汽車的團隊試製了原型,拿出了將存儲電力的性能提高至鋰離子電池7倍的時間表。雖然認為上述疑問已經得出答案還為時尚早,但全世界研究人員並沒有停下研究的腳步。

     

京都大學和豐田正推進以氟化物離子儲能的新一代電池的開發(圖由京都大學提供)

   

      京都大學的內本喜晴教授等人和豐田製作了以氟化物離子來代替鋰離子,進行充放電的新一代電池的原型。相關團隊通過包含氟、銅和鈷的正極與含有鑭的負極的配對研究,確認了在存儲電力的容量上高於鋰離子電池的性能。

     

      即使是目前的純電動汽車,充電一次可行駛的距離也在通過鋰離子電池的更新和將減速時的力轉變為電力等舉措延長,美國特斯拉和日産汽車已經開發出在一定條件下可行駛約600公里的純電動車。

   

      不過,專家認為鋰離子電池顯示電力存儲性能的「能量密度」已接近理論上的極限,難以再大幅提高性能。

   

      京都大學等之所以將目光轉向氟化物離子電池,也是因為可以實現超過鋰離子電池極限能量密度的可能性。

       

  

      氟與金屬結合起來的氟化物攜帶大量氟化物離子,能高效産生電力。就像是1棵蘋果樹上結著很多蘋果,而且每次去摘都能摘到大量蘋果。

  

      京都大學等瞄準的能量密度按照電池的單位重量來看,相當於鋰離子電池的7倍。能量密度越大,越能製造出輕而小的電池。如果大小相同,電池的電力則能使用更長時間。

 


      另外,新型電池的離子移動的通道並非鋰離子電池通常使用的液體,而是改為固體的電解質。這種類型的「全固態電池」不易燃燒,有利於散熱。如果「全固態」和「氟化物離子電池」的特性相輔相成發揮作用的話,實現1000公里的續航距離估計將成為可能。

  

日本京都大學和豐田的團隊正研發「氟化物離子電池」

      

      雖然列舉了各種優點,但認為「不可能造出這種電池」的人也不在少數。這是因為此前的研究顯示,這樣的電池只能在高溫環境下運行,還存在電極膨脹的問題。

     

      研究團隊表示「電極採用鈷中加入鎳和銅的合金,抑制了體積的變化」,剩下的課題是「在負極材料等方面下工夫,使之在不降低電池容量的前提下,實現重覆充放電」。

  

      本田旗下的本田研究所(Honda Research Institute)和美國國家航空航天局(NASA)等也于2018年在美國《科學》雜誌上刊文,表示找到了在室溫下運行氟化物離子電池的頭緒。

  

      該文章表示「與現在的鋰離子電池相比,使用時間或許最多達到8倍」,對於「超越鋰離子電池」顯示強烈意願。環顧日本國內外,還有研究寄希望於鎂和鋁等其他離子。

  

      蓄電池的性能競賽之所以如此激烈,是因為「掌握電池主導權者將掌控世界」(日本技術研究組合鋰離子電池材料評價研究中心常務理事石黑恭生)。有預測認為,僅計算鋰離子電池的話,用於車載電池的全球市場3年後也將超過6萬億日元。

   

      蓄電池的發展不僅僅是作為「動力」推動舒適的行駛及環保。城市裏隨處可見的純電動汽車也將成為存儲光伏發電等電力的「蓄電池」,構建起可供整個社會充分利用的可再生能源的巨大蓄電池網。

   

      因開發鋰離子電池而獲得諾貝爾化學獎的日本旭化成名譽研究員吉野彰曾表示「即使不進行大規模的基礎設施投資,也能夠實現新型社會」。

  


      各國的研究人員等在現有的鋰離子電池的改良方面也在展開激烈競爭。日本鋰離子電池材料評價研究中心表示在20234月前確立全固態技術。豐田、松下及旭化成等日本企業參與其中。

  

     對於技術上更進一步的氟化鋰電池的關注度在提高,但推向實用化還需要一定時間。大部分觀點認為按照現在的技術開發速度,估計要2030年以後。

  

     鋰離子電池的原型完成于1985年,真正實現實用化是在1991年。新一代電池的開發需要花費時間。

  

      難點在於元素的組合。選擇什麼樣的離子、還有正極、負極及電解質的材料,這些都會影響電池的性能。日本鋰離子電池材料評價研究中心常務理事石黑表示「除了大學外,日本的汽車及材料企業也積累了一些技術」。日本被認為設置了很高的開發目標,所以化學方面的研究能力及匹配和調整的技術水平也相應較高,但即便是這樣的日本也無法在電池開發中一帆風順。

   

      今後,利用人工智慧(AI)來預測元素匹配度的「材料信息科學」等新思維將成為關鍵。在AI及新一代計算機技術上領先的美國和中國在新一代電池的開發上也可能佔據優勢。

   

      著眼於量産和市場開拓的戰略也必不可少。日本企業有痛苦的經歷。2000年左右日本企業佔據著鋰離子電池的世界份額排名的前列,但後來,中國及韓國企業以低價格為武器奪走了這一優勢。鋰離子電池之後的蓄電池會是誰?各國企業都在虎視眈眈地瞄準「下一個目標」。

  

      日本經濟新聞(中文版:日經中文網)草鹽拓郎

 

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