中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：9月，在位于茨城縣東海村的日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（High Energy Accelerator Research Organization）大強(qiáng)度陽(yáng)子加速器設(shè)施“J-PARC”中，蓄電池專用分析設(shè)施“中子Beam Line SPICA”建成完工。這是世界上唯一一臺(tái)通過(guò)將加速器產(chǎn)生的高強(qiáng)度中子束照射在處于實(shí)際工作狀態(tài)的蓄電池上，能夠?qū)崟r(shí)觀察構(gòu)成材料的原子排列變化等的設(shè)備。
舉全國(guó)之力實(shí)現(xiàn)反超
4月，在位于兵庫(kù)縣佐用町的日本理化學(xué)研究所（RIKEN Japan）的大型同步輻射設(shè)施“Spring-8”里，采用了強(qiáng)力X線、同樣是世界唯一的蓄電池專用分析設(shè)施開始了運(yùn)轉(zhuǎn)。中子束適用于對(duì)氫、鋰、鎂等“輕原子”的分析。而X線擅長(zhǎng)的領(lǐng)域是錳及鎳等“重原子”。也就是說(shuō)，如果將兩者合在一起，便可掌握構(gòu)成蓄電池的所有原子的活動(dòng)。
這個(gè)項(xiàng)目被命名為“革新型蓄電池尖端科學(xué)基礎(chǔ)研究事業(yè)（RISING事業(yè)）”，由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）主持，研究團(tuán)隊(duì)中包括京都大學(xué)等14家大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)、以豐田為代表的5家汽車企業(yè)、以及松下和日立制作所等共12家企業(yè)。NEDO蓄電技術(shù)開發(fā)室主任細(xì)井敬稱，該項(xiàng)目力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“舉國(guó)一致強(qiáng)化‘蓄電立國(guó)的日本’”。
日本企業(yè)開發(fā)出了鋰離子電池，并在該領(lǐng)域一直領(lǐng)先于世界，然而在2011年，其世界市場(chǎng)份額卻被韓國(guó)企業(yè)趕超。但是，日本的蓄電池開發(fā)團(tuán)隊(duì)下了決心，不會(huì)讓鋰離子電池重蹈半導(dǎo)體及液晶面板的覆轍。暫且把已大眾化（Commoditization）的電子設(shè)備用途的鋰離子電池放在一邊，要在用于純電動(dòng)汽車（EV）及電力調(diào)整等用途的大型鋰離子電池領(lǐng)域搶先走在前面，借此奪回市場(chǎng)份額。日本政府提出的“蓄電池戰(zhàn)略”所描繪的發(fā)展藍(lán)圖是，要在2020年將增長(zhǎng)到目前4倍的市場(chǎng)中，日本企業(yè)占據(jù)一半份額。
要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，掌握關(guān)鍵的不言而喻是技術(shù)開發(fā)實(shí)力。蓄電池最重要的課題是能量密度。能量密度越大，單位重量可儲(chǔ)存的能源量也越多。NEDO的調(diào)查結(jié)果顯示，拿現(xiàn)階段已投入實(shí)用的EV鋰離子電池來(lái)說(shuō)，能量密度為100～120Wh/kg，估計(jì)平均每千瓦時(shí)的成本約為10萬(wàn)日元。順便提一下，日產(chǎn)汽車2010年上市的量產(chǎn)EV“LEAF（聆風(fēng)）”上配備的蓄電池（模塊）為86Wh/kg。
NEDO項(xiàng)目提出的目標(biāo)是：以2020年前后為限，使能量密度增加到250Wh/kg，將平均每千瓦時(shí)的成本降低到約3萬(wàn)日元。也就是說(shuō)，用大約10年時(shí)間將能量密度提高到2倍以上，成本則降至三分之一以下?！?50Wh/kg”的能量密度是蓄電池領(lǐng)域的專家們估計(jì)出的鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)的上限數(shù)字。也是此次開發(fā)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
那么，要怎樣實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？可以說(shuō)，蓄電池的開發(fā)就是一個(gè)高新材料技術(shù)集大成的過(guò)程。其中，主要的因素為正極、負(fù)極以及負(fù)責(zé)使離子在兩極間移動(dòng)的電解質(zhì)這三者。
鋰離子電池通過(guò)使在充電時(shí)從正極溶出（脫離）的鋰離子經(jīng)由電解質(zhì)移動(dòng)（吸留）到負(fù)極一側(cè)，將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，并儲(chǔ)存起來(lái)。放電時(shí)，反過(guò)來(lái)使鋰離子從負(fù)極移動(dòng)到正極，由此釋放電能。
踏踏實(shí)實(shí)的積累是日本的優(yōu)勢(shì)
提高能量密度的一個(gè)方法是，探索并開發(fā)出1個(gè)化學(xué)式中所含的鋰量較多、其中在充放電時(shí)從電極脫離變成離子的比例較高的物質(zhì)。
出于這種思路，作為正極材料，鈷酸鋰及鎳酸鋰之類被稱為層狀氧化物的材料等成了主要的研究對(duì)象
鋰離子電池正極截面的電子顯微鏡圖像。通過(guò)圖像處理提取鈷（左）、鎳（中）、錳（右）的分布信息（各圖的紅色部分）。力爭(zhēng)通過(guò)掌握與蓄電池性能之間的關(guān)系對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化。提供：日本住化分析中心
材料開發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常伴隨著不能按照理論實(shí)現(xiàn)性能的困難。雖然鈷酸鋰是成為層狀氧化物“原型”的代表性正極材料，但電量方面卻只能達(dá)到理論容量的一半。這是因?yàn)?，?dāng)結(jié)晶中的鋰變成離子開始脫離時(shí)，結(jié)晶構(gòu)造便會(huì)崩潰。于是，通過(guò)用鎳、錳及鋁置換鈷酸鋰中的部分鈷等方法，開發(fā)能夠使結(jié)晶保持到理論容量附近的材料便成了焦點(diǎn)。可在多大程度上對(duì)材料的微細(xì)構(gòu)造進(jìn)行精密控制，決定著開發(fā)的成敗。
要提高蓄電池的能量密度，在提高電極材料電量的方法之外，還有一個(gè)方法是增大蓄電池內(nèi)部的電位差。由于層狀氧化物存在隨著電量提高，電位差也會(huì)增大的傾向，因此，在這一點(diǎn)上來(lái)看，是一種具有乘積效應(yīng)的極佳材料。
可是，這里又面臨著新的障礙。當(dāng)內(nèi)部的電位差達(dá)到一定程度，目前使用的液狀電解質(zhì)便會(huì)分解。新電解質(zhì)的開發(fā)也勢(shì)在必行。在開發(fā)電極材料的同時(shí)，與此前截然不同的固體類電解質(zhì)等的開發(fā)也在取得進(jìn)展。
提供：日本鋰離子電池材料評(píng)估研究中心
雖然都統(tǒng)稱為鋰離子電池，但用于電子設(shè)備的小型電池與用于EV及電力領(lǐng)域的大型電池內(nèi)部完全不同。除非電極、電解質(zhì)等蓄電池核心材料全都實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，否則能量密度便無(wú)法得到提高。而且，已投入實(shí)用的電池還需要確保安全性、延長(zhǎng)可反復(fù)使用的壽命以及降低成本等。NEDO蓄電技術(shù)開發(fā)室主任釘野智史說(shuō)：“只有克服了錯(cuò)綜復(fù)雜的多種障礙后，才有可能實(shí)現(xiàn)大型化?！?
材料開發(fā)是一個(gè)進(jìn)行反復(fù)嘗試的過(guò)程。以踏踏實(shí)實(shí)積累起來(lái)的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，日本的研究團(tuán)隊(duì)在一個(gè)臺(tái)階一個(gè)臺(tái)階地向上攀登。如果沒(méi)有這些積累，便不可能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足進(jìn)步。雖然在小型蓄電池的量產(chǎn)方面被韓國(guó)企業(yè)趕超，但日本企業(yè)擁有在發(fā)明了鋰離子蓄電池、從零開始進(jìn)行培育的過(guò)程中積累起來(lái)的開發(fā)專有技術(shù)。在實(shí)現(xiàn)蓄電池的大型化方面，借助2個(gè)最尖端分析設(shè)施實(shí)現(xiàn)反應(yīng)機(jī)制的可視化，將加快積累知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的速度。
萬(wàn)事俱備
日本的優(yōu)勢(shì)不僅僅是電極、電解質(zhì)等核心技術(shù)的研究開發(fā)。精通蓄電池技術(shù)的日本首都大學(xué)東京（Tokyo Metropolitan University）教授金村圣志說(shuō)：“只有日本能夠備齊構(gòu)成蓄電池的所有材料。”韓國(guó)等的企業(yè)有很多材料、原料是從日本企業(yè)購(gòu)買。
例如防止電極間短路的隔板，東麗等原材料廠商的實(shí)力很強(qiáng)。
并且，電極是將原料粉末與用來(lái)粘合粉末的粘合劑化學(xué)品進(jìn)行混合，涂覆在集電體（鋁箔及銅箔）上制造而成。鋰離子電池所用的粘合劑需要與電極原料粉末之間具有微妙的兼容性，吳羽公司（KUREHA）及日本瑞翁公司（Zeon）等日本化工企業(yè)幾乎壟斷了其生產(chǎn)。
供應(yīng)鋰及屬于金屬化合物的正極材料原料粉末的是日亞化學(xué)工業(yè)公司、戶田工業(yè)公司等日本的電子材料企業(yè)。
雖然日亞化學(xué)作為藍(lán)色LED的開發(fā)企業(yè)而為人所知，但它原本是一家憑借用于熒光燈及顯像管的螢光材料發(fā)展起來(lái)的企業(yè)，以制造化合物粉末見長(zhǎng)。戶田工業(yè)是一家從生產(chǎn)名為氧化鐵紅、用于涂料的紅色顏料起步，憑借用于磁帶的磁性體粉末等發(fā)展起來(lái)的企業(yè)。在日本，支撐蓄電池發(fā)展的化工及材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，具有可發(fā)揮綜合實(shí)力的土壤。
很多電池業(yè)內(nèi)人士指出，韓國(guó)企業(yè)之所以在鋰離子電池領(lǐng)域迅速發(fā)展，其背后原因是日本的技術(shù)外流。然而，無(wú)法斷言今后同樣的事情不會(huì)重演。假如這樣，日本企業(yè)只能在技術(shù)方面繼續(xù)保持領(lǐng)先。
在鋰離子電池領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)在要達(dá)到的目標(biāo)能量密度之后，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)的下一個(gè)目標(biāo)也已確定。在NEDO制定的技術(shù)路線中，將2030年以后定位為“革新性蓄電池”的實(shí)用化期。
上述革新性蓄電池之一是“金屬空氣電池”。這種電池通過(guò)使空氣中的氧元素離子化，并使其向金屬負(fù)極移動(dòng)來(lái)進(jìn)行蓄電。從理論上說(shuō)，能量密度能達(dá)到500Wh/kg，相當(dāng)于鋰離子電池極限的2倍。
采用X線及中子束的最新分析設(shè)施在開發(fā)新一代蓄電池方面也將成為強(qiáng)有力的武器。日本通過(guò)采用“總體戰(zhàn)”式的蓄電池戰(zhàn)略，將取得的成果絕不會(huì)小。
