舉國之力
2012年4月，在位于兵庫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)。中子束適用于對氫、鋰、鎂等“輕原子”的分析。而X線擅長的領(lǐng)域是錳及鎳等“重原子”。也就是說，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。
這個項目被命名為“ 革新型蓄電池尖端科學(xué)基礎(chǔ)研究事業(yè)(R I S I N G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，該項目力爭實現(xiàn)“舉國一致強(qiáng)化‘蓄電立國的日本’”。
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， 其世界市場份額卻被韓國企業(yè)趕超。但是，日本的蓄電池開發(fā)團(tuán)隊下了決心，不會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年將增長到目前4倍的市場中，日本企業(yè)占據(jù)一半份額。
要實現(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)階段已投入實用的EV鋰離子電池來說，能量密度為100～120Wh/kg，估計平均每千瓦時的成本約為10萬日元。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。
N E D O項目提出的目標(biāo)是：以2020年前后為限，使能量密度增加到250Wh/kg，將平均每千瓦時的成本降低到約3萬日元。也就是說，用大約10年時間將能量密度提高到2倍以上，成本則降至三分之一以下。
“250Wh/kg”的能量密度是蓄電池領(lǐng)域的專家們估計出的鋰離子電池可實現(xiàn)的上限數(shù)字。也是此次開發(fā)力爭實現(xiàn)的目標(biāo)。
那么，要怎樣實現(xiàn)這一目標(biāo)呢？
可以說，蓄電池的開發(fā)就是一個高新材料技術(shù)集大成的過程。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的電解質(zhì)這三者。
鋰離子電池通過使在充電時從正極溶出(脫離)的鋰離子經(jīng)由電解質(zhì)移動(吸留)到負(fù)極一側(cè)，將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，并儲存起來。放電時，反過來使鋰離子從負(fù)極移動到正極，由此釋放電能。
日本的優(yōu)勢
提高能量密度的一個方法是，探索并開發(fā)出1個化學(xué)式中所含的鋰量較多、其中在充放電時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象。
材料開發(fā)過程中，經(jīng)常伴隨著不能按照理論實現(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。這是因為，當(dāng)結(jié)晶中的鋰變成離子開始脫離時，結(jié)晶構(gòu)造便會崩潰。于是，通過用鎳、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?？稍诙啻蟪潭壬蠈Σ牧系奈⒓?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，電位差也會增大的傾向，因此，在這一點上來看，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)便會分解。新電解質(zhì)的開發(fā)也勢在必行。在開發(fā)電極材料的同時，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。
精密制造技術(shù)
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現(xiàn)技術(shù)突破，否則能量密度便無法得到提高。而且，已投入實用的電池還需要確保安全性、延長可反復(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：“只有克服了錯綜復(fù)雜的多種障礙后，才有可能實現(xiàn)大型化。”
材料開發(fā)是一個進(jìn)行反復(fù)嘗試的過程。以踏踏實實積累起來的知識及經(jīng)驗為基礎(chǔ)，日本的研究團(tuán)隊在一個臺階一個臺階地向上攀登。如果沒有這些積累，便不可能實現(xiàn)長足進(jìn)步。
雖然在小型蓄電池的量產(chǎn)方面被韓國企業(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)行培育的過程中積累起來的開發(fā)專有技術(shù)。在實現(xiàn)蓄電池的大型化方面，借助2個最尖端分析設(shè)施實現(xiàn)反應(yīng)機(jī)制的可視化，將加快積累知識經(jīng)驗的速度。
萬事俱備
日本的優(yōu)勢不僅僅是電極、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(TokyoMetropolitan University)教授金村圣志說：“只有日本能夠備齊構(gòu)成蓄電池的所有材料。”韓國等的企業(yè)有很多材料、原料是從日本企業(yè)購買。
例如防止電極間短路的隔板，東麗等原材料廠商的實力很強(qiáng)。
并且，電極是將原料粉末與用來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)展起來的企業(yè)，以制造化合物粉末見長。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)揮綜合實力的土壤。
很多電池業(yè)內(nèi)人士指出，韓國企業(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，無法斷言今后同樣的事情不會重演。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，實現(xiàn)了現(xiàn)在要達(dá)到的目標(biāo)能量密度之后，力爭實現(xiàn)的下一個目標(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”。這種電池通過使空氣中的氧元素離子化，并使其向金屬負(fù)極移動來進(jìn)行蓄電。從理論上說，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。日本通過采用“總體戰(zhàn)”式的蓄電池戰(zhàn)略，將取得的成果絕不會小。
