日本電池研發新動向,用上了海帶

2020/10/26


      在日本,新一代電池材料的開發正在日趨升溫。推動者是初創企業和中小企業。有的企業打出讓人意想不到的材料,還有的企業委託其他企業和人脈積極推進量産化。材料左右著電池的容量和安全性等性能。如果電池材料作為競爭核心的研發活動變得活躍,新一代電池的普及或將加快。日本經濟新聞探訪了日本電池材料的研發一線。

 

      以源自東京工業大學的初創企業Enpower Japan為中心,2018~2020年集合了約10家日本的材料和設備企業。各家看中了Enpower擁有的全固態鋰離子電池的電解質。

 

  

      全固態電池市場擴大

 

      目前的鋰電池通過鋰離子在正極和負極之間的電解液中移動來實現充放電。而全固態電池則利用固態電解質替代電解液。爆炸的風險很小,同時電力容量更大,因此被視為新一代電池的有力候選。

 

      日本的富士經濟的統計顯示,預計全固態電池的全球市場規模到2035年達到約2.7萬億日元,增至2018年的1000倍左右。豐田和日立造船等正在推進實用化。


 

      但是,全固態電池採用固體電解質,與電解液相比,離子不易移動,充放電需要較長時間。此外,在低溫下無法使用成為一大弱點。為了克服難題,Enpower充分利用了東京工業大學教授菅野了次等人開發的具有特殊晶體結構的硫化物。離子的易移動性被提高到普通固體電解質的10倍以上,超過了電解液的水平。

 

      該公司由東京工業大學出身、曾是愛信精機電池研究人員的車勇社長和戴翔會長等人於2018年創建。實際上,戴翔曾留學美國德克薩斯大學,師從約翰·古迪納夫(John Goodenough)教授。説起約翰·古迪納夫教授,他與旭化成的名譽研究員吉野彰一起,于2019年通過鋰電池開發獲得諾貝爾獎,是電池領域的權威。

 

      戴翔與古迪納夫一起,共同研究了採用氧化物的電解質。結合東京工業大學的專利技術,計劃到2021年開始生産全固態電池的電解質。車勇表示,在全球範圍內,日本在高性能電池材料領域具有優勢,很適合在這裡進行研發。

 

      圍繞全固態電池材料,日本大型企業也在積極推進開發。出光興産正在利用石油煉製的副産物「硫化氫」,開發使用硫化物的全固態電池電解質。目前正在攻克遇水産生有害氣體的課題,計劃2020年代前半期啟動量産。

 

      在全固態電池之外,使用液體電解質的新一代電池材料方面,新興企業也在崛起。iElectrolyte公司研發了塗在正負電極基板上的黏合劑,材料中使用了海帶的粘液成分。

 

      在電極基板的鋁箔上通過黏合劑以高密度塗佈鎳等材料,容納的離子將增加,電池的容量也就隨之擴大。這種高密度塗佈的材料是什麼呢?iElectrolyte在行星探測器和火箭電池的研發過程中,發現在電解質中加入海帶的粘液成分「海藻酸」可增加電流。

 

      iElectrolyte的首席執行官(CEO)石川正司憑直覺認為這種材料可以用於黏合劑。鎳等材料可以分散到電極基板上,而且能涂得很厚,經過反覆試驗,確認了電池性能的提高。

 

      環保政策成為東風

 

      海帶還催生了其他新技術。電池行業的分析師指出,「歐洲在加強針對電池工廠的環保政策」。高容量電極的黏合劑主要採用有機溶劑,對環境的負面影響巨大。iElectrolyte的黏合劑使用的是水,環境負荷小。而且海帶在南美海域是被當作垃圾的無法食用的東西。正是無用的東西正在創造價值。

 

      黏合劑是日本企業的優勢領域。吳羽公司(KUREHA)和瑞翁公司(Zeon)分別在正極和負極的黏合劑領域佔全球份額的近5成,但iElectrolyte將在這個領域發起挑戰。

 


      LE System公司力爭量産用於「氧化還原液流電池」的電解液。這種電池通過泵使儲槽中的電解液循環。利用電極引發化學反應,實現充放電。相同重量能存儲的電力少於鋰電池,但産品壽命長達20年,而且沒有爆炸的風險。

 

      氧化還原液流電池是5年前被商用化的技術,但目前並未普及。原因在於價格。電解液採用稀有金屬釩,佔到生産和設置成本的3~4成。但是,LE System公司開闢了新道路。突破口是用於火力發電的石油焦灰這種無用的材料。

 

      該公司成功從廢棄的石油焦灰中高效提取出了與硫磺和碳等混合的釩。採購成本能比此前降低5~6成。目前正在福島縣建設工廠,將於2021年啟動生産,計劃向國內外的電池企業供應,用於太陽能和風力發電的蓄電池。

 

      主要競爭對手是已首次量産氧化還原液流電池的住友電氣工業。該公司意圖通過鈦和錳代替釩的技術來普及氧化還原液流電池。

 

      日本矢野經濟研究所的統計顯示,鋰電池的主要零部件的全球市場規模2018年超過2萬億日元。中國在按數量份額上掌握過半數,日本和韓國的企業也加入競爭。日本的住友金屬礦山在正極材料領域,三菱化學則在電解液領域分別在全球市場佔有一席,支撐著日本的電池企業。

 

      初創企業具有技術實力,但課題是量産化。還需要鉅額的設備投資和人員,需要找到穩定的出資方。投資者正在關注這些初創企業在技術之後的經營狀況。

 

       「過氣技術」也不放棄

 

       在電池領域,氧化還原液流電池長年被視為過氣技術而遭到冷遇。日本住友電氣工業歷時30餘年,終於在2015年前後將其商業化,但研發過程中曾一度被束之高閣,讓技術人員惋惜不已。

 

       「如果能重新選擇的話,我不會再做這個,日本LE System公司從事氧化還原液流電池電解液業務,社長佐藤純一這樣形容一直以來的辛勞。佐藤社長曾經擔任過環保顧問,他發覺隨著光伏發電的普及,大型蓄電池的市場將會擴大,於是在2011年創建了LE System。但周圍人並不看好,認為這是過氣技術


 

       儘管如此,「沒有退路的佐藤還是不停地拜訪金融機構等,一遍又一遍地介紹業務發展前景。由於確立了打破價格昂貴這一瓶頸的技術,日本的官民基金INCJ(原日本産業革新機構)和西松建設最終同意出資,這才有了建設工廠的眉目。

 

採用LE System電解液的氧化還原液流電池

 

       在面向新一代電池的技術競爭中,日本有許多領域領先於海外,但如果把目光轉向現行的鋰離子電池的材料,就會發現正在被中韓企業超越。代表性的例子就是隔膜領域,上海恩捷的市佔率2019年超過日本旭化成,躍居世界第一。瑞穗銀行的主任研究員湯進分析認為,增産的日系電池廠商少,日本企業在份額競爭中處於不利位置。

 

       要想儘快發掘出有潛力的材料並投入量産,從而奪回市佔率,關鍵在於時間。利用人工智慧(AI)尋找新材料的材料信息學(MI)似乎是爭奪時間勝負的王牌。

 

       三菱化學和松下等大型企業正廣泛引入材料信息學,創業近百年的老字號化學廠商也開始利用。那就是經營實驗試劑的岸田化學,該公司與研發材料信息學軟體的MI-6公司合作,探索面向電解液的革命性材料。

 

       材料信息學以論文和實驗數據為基礎,由AI篩選出研究人員需要的候選材料。這樣省去了研究人員通過查閱論文等來篩選材料的工夫,有望縮短開發時間。

  

       岸田化學把使用材料信息學發掘的材料組合起來,開發出抑制起火的電解液。2018年開始面向筆記本電腦等進行生産。有機溶劑採用「乙酸丙酯,即使與阻燃劑混合起來,存儲和釋放的電量及壽命也能維持在與普通電解液同等的水平。今後還考慮用於鈉離子電池等新一代電池電解液的開發。

 

       在該公司德島工廠統管電池材料業務的武市哲也廠長在2017年懷著「希望獲得不同於原始積累數據的視角的想法而引入了材料信息學。武市表示,「材料信息學把關注焦點指向了(乙酸丙酯等)並不起眼的候選材料」,感覺很有成效。以往總是參考最新的論文,往往只關注符合流行趨勢的候選材料

 

       不過,目前開發時間並未縮短,效率提升仍在探索之中。原因是目前材料信息學的系統給出的候選多達300400種,處於研究人員分別對其進行驗證的階段。今後隨著分析精度的不斷提高,除材料的組合方式外,還將摸索混合比例,努力提高開發效率。對材料廠商來説,應用材料信息學或將成為未來的生命線。

 

      日本經濟新聞(中文版:日經中文網)梅國典

  

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