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欲从韩国夺回“失地”,日本要使锂电池能量密度翻番

2012年10月31日09:28    来源:人民网-财经频道

9月,在位于茨城县东海村的日本高能加速器研究机构(High Energy Accelerator Research Organization)大强度阳子加速器设施“J-PARC”中,蓄电池专用分析设施“中子Beam Line SPICA”建成完工。这是世界上唯一一台通过将加速器产生的高强度中子束照射在处于实际工作状态的蓄电池上,能够实时观察构成材料的原子排列变化等的设备。

举全国之力实现反超

4月,在位于兵库县佐用町的日本理化学研究所(RIKEN Japan)的大型同步辐射设施“Spring-8”里,采用了强力X线、同样是世界唯一的蓄电池专用分析设施开始了运转。中子束适用于对氢、锂、镁等“轻原子”的分析。而X线擅长的领域是锰及镍等“重原子”。也就是说,如果将两者合在一起,便可掌握构成蓄电池的所有原子的活动。

        

拥有可发出世界最高强度中子束的加速器 提供:NEDO(左)

通过利用中子束,便可作为原子的活动掌握充放电时发生的化学反应 提供:NEDO(右)

这个项目被命名为“革新型蓄电池尖端科学基础研究事业(RISING事业)”,由日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)主持,研究团队中包括京都大学等14家大学及研究机构、以丰田为代表的5家汽车企业、以及松下和日立制作所等共12家企业。NEDO蓄电技术开发室主任细井敬称,该项目力争实现“举国一致强化‘蓄电立国的日本’”。

日本企业开发出了锂离子电池,并在该领域一直领先于世界,然而在2011年,其世界市场份额却被韩国企业赶超。但是,日本的蓄电池开发团队下了决心,不会让锂离子电池重蹈半导体及液晶面板的覆辙。暂且把已大众化(Commoditization)的电子设备用途的锂离子电池放在一边,要在用于纯电动汽车(EV)及电力调整等用途的大型锂离子电池领域抢先走在前面,借此夺回市场份额。日本政府提出的“蓄电池战略”所描绘的发展蓝图是,要在2020年将增长到目前4倍的市场中,日本企业占据一半份额。

要实现上述目标,掌握关键的不言而喻是技术开发实力。蓄电池最重要的课题是能量密度。能量密度越大,单位重量可储存的能源量也越多。NEDO的调查结果显示,拿现阶段已投入实用的EV锂离子电池来说,能量密度为100~120Wh/kg,估计平均每千瓦时的成本约为10万日元。顺便提一下,日产汽车2010年上市的量产EV“LEAF(聆风)”上配备的蓄电池(模块)为86Wh/kg。

NEDO项目提出的目标是:以2020年前后为限,使能量密度增加到250Wh/kg,将平均每千瓦时的成本降低到约3万日元。也就是说,用大约10年时间将能量密度提高到2倍以上,成本则降至三分之一以下。“250Wh/kg”的能量密度是蓄电池领域的专家们估计出的锂离子电池可实现的上限数字。也是此次开发力争实现的目标。

那么,要怎样实现这一目标呢?可以说,蓄电池的开发就是一个高新材料技术集大成的过程。其中,主要的因素为正极、负极以及负责使离子在两极间移动的电解质这三者。

锂离子电池通过使在充电时从正极溶出(脱离)的锂离子经由电解质移动(吸留)到负极一侧,将电能转化成化学能,并储存起来。放电时,反过来使锂离子从负极移动到正极,由此释放电能。

踏踏实实的积累是日本的优势

提高能量密度的一个方法是,探索并开发出1个化学式中所含的锂量较多、其中在充放电时从电极脱离变成离子的比例较高的物质。

出于这种思路,作为正极材料,钴酸锂及镍酸锂之类被称为层状氧化物的材料等成了主要的研究对象。

锂离子电池正极截面的电子显微镜图像。通过图像处理提取钴(左)、镍(中)、锰(右)的分布信息(各图的红色部分)。力争通过掌握与蓄电池性能之间的关系对材料进行优化
提供:日本住化分析中心

材料开发过程中,经常伴随着不能按照理论实现性能的困难。虽然钴酸锂是成为层状氧化物“原型”的代表性正极材料,但电量方面却只能达到理论容量的一半。这是因为,当结晶中的锂变成离子开始脱离时,结晶构造便会崩溃。于是,通过用镍、锰及铝置换钴酸锂中的部分钴等方法,开发能够使结晶保持到理论容量附近的材料便成了焦点。可在多大程度上对材料的微细构造进行精密控制,决定着开发的成败。

要提高蓄电池的能量密度,在提高电极材料电量的方法之外,还有一个方法是增大蓄电池内部的电位差。由于层状氧化物存在随着电量提高,电位差也会增大的倾向,因此,在这一点上来看,是一种具有乘积效应的极佳材料。

可是,这里又面临着新的障碍。当内部的电位差达到一定程度,目前使用的液状电解质便会分解。新电解质的开发也势在必行。在开发电极材料的同时,与此前截然不同的固体类电解质等的开发也在取得进展。

提供:日本锂离子电池材料评估研究中心

虽然都统称为锂离子电池,但用于电子设备的小型电池与用于EV及电力领域的大型电池内部完全不同。除非电极、电解质等蓄电池核心材料全都实现技术突破,否则能量密度便无法得到提高。而且,已投入实用的电池还需要确保安全性、延长可反复使用的寿命以及降低成本等。NEDO蓄电技术开发室主任釘野智史说:“只有克服了错综复杂的多种障碍后,才有可能实现大型化。”

材料开发是一个进行反复尝试的过程。以踏踏实实积累起来的知识及经验为基础,日本的研究团队在一个台阶一个台阶地向上攀登。如果没有这些积累,便不可能实现长足进步。虽然在小型蓄电池的量产方面被韩国企业赶超,但日本企业拥有在发明了锂离子蓄电池、从零开始进行培育的过程中积累起来的开发专有技术。在实现蓄电池的大型化方面,借助2个最尖端分析设施实现反应机制的可视化,将加快积累知识经验的速度。

万事俱备

日本的优势不仅仅是电极、电解质等核心技术的研究开发。精通蓄电池技术的日本首都大学东京(Tokyo Metropolitan University)教授金村圣志说:“只有日本能够备齐构成蓄电池的所有材料。”韩国等的企业有很多材料、原料是从日本企业购买。

例如防止电极间短路的隔板,东丽等原材料厂商的实力很强。

并且,电极是将原料粉末与用来粘合粉末的粘合剂化学品进行混合,涂覆在集电体(铝箔及铜箔)上制造而成。锂离子电池所用的粘合剂需要与电极原料粉末之间具有微妙的兼容性,吴羽公司(KUREHA)及日本瑞翁公司(Zeon)等日本化工企业几乎垄断了其生产。

供应锂及属于金属化合物的正极材料原料粉末的是日亚化学工业公司、户田工业公司等日本的电子材料企业。

虽然日亚化学作为蓝色LED的开发企业而为人所知,但它原本是一家凭借用于荧光灯及显像管的萤光材料发展起来的企业,以制造化合物粉末见长。户田工业是一家从生产名为氧化铁红、用于涂料的红色颜料起步,凭借用于磁带的磁性体粉末等发展起来的企业。在日本,支撑蓄电池发展的化工及材料相关产业基础雄厚,具有可发挥综合实力的土壤。

很多电池业内人士指出,韩国企业之所以在锂离子电池领域迅速发展,其背后原因是日本的技术外流。然而,无法断言今后同样的事情不会重演。假如这样,日本企业只能在技术方面继续保持领先。

在锂离子电池领域,实现了现在要达到的目标能量密度之后,力争实现的下一个目标也已确定。在NEDO制定的技术路线中,将2030年以后定位为“革新性蓄电池”的实用化期。

上述革新性蓄电池之一是“金属空气电池”。这种电池通过使空气中的氧元素离子化,并使其向金属负极移动来进行蓄电。从理论上说,能量密度能达到500Wh/kg,相当于锂离子电池极限的2倍。

采用X线及中子束的最新分析设施在开发新一代蓄电池方面也将成为强有力的武器。日本通过采用“总体战”式的蓄电池战略,将取得的成果绝不会小。(日经能源环境网 供稿)

 

(责任编辑:财经实习、刘阳)

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