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日本挑战续航1000公里的电动车电池

日经中文网 · 2020-08-14
一次充电可行驶1000公里(在日本相当于从东京至福冈的距离)的纯电动汽车(EV)能否实现?

编者按:本文来自“日经中文网”,作者:草盐拓郎,36氪经授权发布。

作为超越现在的锂离子电池的蓄电池,“氟化物离子电池”正在成为强有力候选。日本京都大学和丰田汽车的团队试制了原型,拿出了将存储电力的性能提高至锂离子电池7倍的时间表。虽然认为上述疑问已经得出答案还为时尚早,但全世界研究人员并没有停下研究的脚步。

京都大学和丰田正推进以氟化物离子储能的新一代电池的开发(图由京都大学提供)

京都大学的内本喜晴教授等人和丰田制作了以氟化物离子来代替锂离子,进行充放电的新一代电池的原型。相关团队通过包含氟、铜和钴的正极与含有镧的负极的配对研究,确认了在存储电力的容量上高于锂离子电池的性能。

即使是目前的纯电动汽车,充电一次可行驶的距离也在通过锂离子电池的更新和将减速时的力转变为电力等举措延长,美国特斯拉和日产汽车已经开发出在一定条件下可行驶约600公里的纯电动车。

不过,专家认为锂离子电池显示电力存储性能的“能量密度”已接近理论上的极限,难以再大幅提高性能。

京都大学等之所以将目光转向氟化物离子电池,也是因为可以实现超过锂离子电池极限能量密度的可能性。

氟与金属结合起来的氟化物携带大量氟化物离子,能高效产生电力。就像是1棵苹果树上结着很多苹果,而且每次去摘都能摘到大量苹果。

京都大学等瞄准的能量密度按照电池的单位重量来看,相当于锂离子电池的7倍。能量密度越大,越能制造出轻而小的电池。如果大小相同,电池的电力则能使用更长时间。

另外,新型电池的离子移动的通道并非锂离子电池通常使用的液体,而是改为固体的电解质。这种类型的“全固态电池”不易燃烧,有利于散热。如果“全固态”和“氟化物离子电池”的特性相辅相成发挥作用的话,实现1000公里的续航距离估计将成为可能。

日本京都大学和丰田的团队正研发“氟化物离子电池”

虽然列举了各种优点,但认为“不可能造出这种电池”的人也不在少数。这是因为此前的研究显示,这样的电池只能在高温环境下运行,还存在电极膨胀的问题。

研究团队表示“电极采用钴中加入镍和铜的合金,抑制了体积的变化”,剩下的课题是“在负极材料等方面下工夫,使之在不降低电池容量的前提下,实现重复充放电”。

本田旗下的本田研究所(Honda Research Institute)和美国国家航空航天局(NASA)等也于2018年在美国《科学》杂志上刊文,表示找到了在室温下运行氟化物离子电池的头绪。

该文章表示“与现在的锂离子电池相比,使用时间或许最多达到8倍”,对于“超越锂离子电池”显示强烈意愿。环顾日本国内外,还有研究寄希望于镁和铝等其他离子。

蓄电池的性能竞赛之所以如此激烈,是因为“掌握电池主导权者将掌控世界”(日本技术研究组合锂离子电池材料评价研究中心常务理事石黑恭生)。有预测认为,仅计算锂离子电池的话,用于车载电池的全球市场3年后也将超过6万亿日元。

蓄电池的发展不仅仅是作为“动力”推动舒适的行驶及环保。城市里随处可见的纯电动汽车也将成为存储光伏发电等电力的“蓄电池”,构建起可供整个社会充分利用的可再生能源的巨大蓄电池网。

因开发锂离子电池而获得诺贝尔化学奖的日本旭化成名誉研究员吉野彰曾表示“即使不进行大规模的基础设施投资,也能够实现新型社会”。

各国的研究人员等在现有的锂离子电池的改良方面也在展开激烈竞争。日本锂离子电池材料评价研究中心表示在2023年4月前确立全固态技术。丰田、松下及旭化成等日本企业参与其中。

对于技术上更进一步的氟化锂电池的关注度在提高,但推向实用化还需要一定时间。大部分观点认为按照现在的技术开发速度,估计要2030年以后。

锂离子电池的原型完成于1985年,真正实现实用化是在1991年。新一代电池的开发需要花费时间。

难点在于元素的组合。选择什么样的离子、还有正极、负极及电解质的材料,这些都会影响电池的性能。日本锂离子电池材料评价研究中心常务理事石黑表示“除了大学外,日本的汽车及材料企业也积累了一些技术”。日本被认为设置了很高的开发目标,所以化学方面的研究能力及匹配和调整的技术水平也相应较高,但即便是这样的日本也无法在电池开发中一帆风顺。

今后,利用人工智能(AI)来预测元素匹配度的“材料信息科学”等新思维将成为关键。在AI及新一代计算机技术上领先的美国和中国在新一代电池的开发上也可能占据优势。

着眼于量产和市场开拓的战略也必不可少。日本企业有痛苦的经历。2000年左右日本企业占据着锂离子电池的世界份额排名的前列,但后来,中国及韩国企业以低价格为武器夺走了这一优势。锂离子电池之后的蓄电池会是谁?各国企业都在虎视眈眈地瞄准“下一个目标”。

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