鈉離子電池:不使用稀有金屬

作者:島津翔   |   2015 / 10 / 16

文章來源:日經技術   |   圖片來源:日經技術


【日經BP社報導】有著“後鋰電池”之稱的鈉離子電池最近成為關注的焦點。這種電池的特點是不使用稀有金屬,只使用通常的材料。曾被視作看家本領的日本電池產業能否借此重振雄風?

稀有金屬

2010年,釣魚台海域發生中日撞船事件後,中國開始從實質上限制稀土金屬出口。稀土金屬是混合動力車用電動機和有機EL顯示器等高科技產業必不可少的資源,也被稱作“產業的維生素”。

中國這個世界最大的稀土金屬生產國開始限制出口,採購危機隨之出現,稀土金屬價格飆升。磁鐵使用的釹和鏑的價格在2011年7月達到頂峰,是2007年的30倍以上(瑞穗實業銀行產業調查部的調查結果)。不僅是日本,全世界的企業都遭受了沉重打擊。

鈉離子電池

危機尚未結束

之後,隨著回收再利用技術和不依賴稀土金屬的產品開發的進步,中國的稀土金屬價格逐漸回落。2014年,世界貿易組織(WTO)認定中國實施的出口限制違規。2015年1月,中國政府做出了撤銷出口限制的決定。

但稀土金屬等稀有元素的危機並未就此結束。稀土金屬只是31種稀有金屬中的一部分,其他元素也完全有可能遇到出口限制之類的問題。

鋰也是一種常用的稀有金屬,主要應用於電池。開發鋰電池的目的,是為了滿足手機和筆記型電腦對於高容量、小型電池的迫切需求。1991年,SONY在全球率先實現了鋰電池的商品化,橫掃了整個市場。不僅是移動設備,還得到了固定式電池和車載電池等廣泛用途的採用。富士經濟預測,到2018年,全球鋰電池市場將擴大到2兆日元的規模。

日本的鋰全部依靠從南美等地進口。隨著市場擴大,確保未來資源供應和成本問題逐漸顯現。而且,鋰電池除了鋰之外,還使用另一種稀有金屬—鈷。NTT設施綜合研究所的調查顯示,利用現行技術生產1輛純電動汽車(EV),大約要使用20kg的鋰和大約40kg的鈷。即便把全球的產量都供應給EV,每年產出的鋰只夠700萬輛車使用,而鈷僅夠100萬輛車使用。隨著再生能源的普及,如果大型蓄電池的需求增加,資源枯竭和價格暴漲不可避免。

面對這種情況,政府不能袖手旁觀。作為國家的危機管理措施,開發擺脫稀有元素依賴的技術—從2008年開始,日本啟動了名為“元素戰略項目”的全國性研究項目。後鋰電池的開發也是項目之一。

該項目提出用鈉來替代鋰。在元素週期表上,鈉就在鋰的下方,性質與鋰相似。鈉最大的好處是在海水等資源中含量豐富,是“取之不盡”的元素。

不過,鈉離子電池的開發卻長期不受關注。“用鈉做電池,根本行不通”,儘管材料的性質與鋰相似,但材料化學專家之間依然存在這種認識。離子電池是利用離子在正極與負極之間的移動進行充放電的。在這個過程中,離子需要順暢地進入正極與負極的材料之間。鈉離子的體積大約是鋰離子的兩倍,很難進入電極材料,按照一般觀點,鈉離子無法在實用中實現充放電。因此,直到1990年代,研究人員都幾乎忽視了鈉離子電池。

然而,日本的研究人員顛覆了這一固有觀念。2009年,隨著材料開發的進步,鈉離子電池的開發穩步推進。東京理科大學教授駒場慎一(當時為副教授)的研究小組,通過在負極使用碳系材料,在世界上首先成功實現了鈉離子電池的重複充放電。打破過去10次左右的充放電極限,開發出了可以重複使用幾百次的電池,為實用化開闢了道路。

以這項研究為契機,全球掀起了研究鈉離子電池的競爭。論文數量在2009年之後快速增加。“全球發表的論文數量估計是以前的幾百倍”(駒場教授)。

鈉離子電池有三大優點

一是原料成本低。不僅不使用鋰、鈷等稀有金屬,而且通電的基板可以使用鋁,而不是銅。因為不使用高價材料,所以“與鋰電池相比,成本至少可以減少1成,順利的話可以減少3成”(駒場教授)。

二是可以沿用現有的生產程式。鈉離子電池的工作機制與鋰離子電池相同,電池企業的現有生產設備可以直接用來生產鈉離子電池。因為基本不需要設備投資,所以各家企業容易將其作為替代電池開展生產。

後鋰電池
圖:東京大學研究所的山田淳夫教授等人開發的負極的示意圖。由鈦(紅)和碳(灰)組成的片狀物質

三是可以快速充放電。駒場教授說:“在原理上,鈉離子電池的充電時間可以縮短到鋰離子電池的1/5。”只要實現了快速充電,自然就能縮短EV的充電時間。東京大學研究所教授山田淳夫等人的研究小組發現,鈦和碳製成的片狀化合物會吸附、釋放大量的鈉離子。以這種化合物為電極試製的電池,即使反覆進行快速充放電,性能也不會劣化。山田教授預測:“鈉不會馬上取代鋰,而是會在適合其特性的用途,作為鋰的一種替代品,逐漸得到採用。”

企業在暗中持續開發

為了使具備上述優點的電池實現商用化,很多家民營企業正在進行開發。例如,住友電氣工業在2013年開發出了即使電池內部溫度較低也能工作的鈉離子電池。因為無需散熱空間,所以體積成功縮小到了鋰電池以下。目標是應用於住宅用蓄電池和純電動汽車。

豐田雖然沒有公佈消息,但估計也在一直在為HEV和PHEV開發鈉離子電池,作為鎳氫電池和鋰電池的替代品。在2015年5月召開的日本電氣化學會的電池技術委員會上,該公司的電池研究部宣佈,為鈉離子電池的正極開發出了新材料。

三菱化學一直在與東京理科大學的駒場教授開展合作研究。“具體名稱不能透露,包括海外企業在內,共有4、5家企業正在參與合作研究”(駒場教授)。

鈉離子電池雖然是企業競相開發的熱門,但也存在課題:電池中儲存的能量比鋰電池少。因為鈉比鋰重,所以同樣重量的電池,鋰電池的容量更大。經過近些年的開發競爭,鈉離子電池的儲能量達到鋰的90%,已經可與之並肩。不過,駒場教授說:“如果沒有新的突破,實用化很難。不過我認為是可以實現的。”這樣說的原因是,鈉離子電池的正極和負極可使用的材料種類繁多。

鐵、錳、鎳、碳等等,不僅可使用的材料多,而且,通過以不同的比例,或在不同溫度下進行混合,電池的性能會發生改變。鋰電池的材料經過了30年的優化,而鈉電池掀起研究競爭才不過5年左右,自然隱藏著巨大的可能性。

從鉛電池、鎳氫電池到鋰電池,電池產業一直被視作日本的看家本領。但近年,在南韓等地的企業的衝擊下,日本廠商的佔有率正漸漸流失。鈉離子電池作為新一代電池贏得了關注。為了不使用稀有金屬,在國家戰略的層面上實現危機管理,也為了讓日本的電池產業重返世界巔峰,鈉離子電池的商用化進程正在加快腳步。(文/島津翔)

日經技術在線》授權轉載

喜歡這篇文章?加入你的S夾!

日經技術
「日經技術在線!」為製造業綜合技術資訊專業網站,主要面向製造業及高新技術產業的技術人員和研究人員。承蒙廣大讀者和廣告主的支援,由日經BP社(日經商業出版)亞洲業務本部運營管理。
日經技術的最新文章
More

追蹤股感的社群