憑借新材料 電動(dòng)汽車(chē)性能將超過(guò)汽油車(chē)

現行純電動(dòng)汽車(chē)的基本性能在很多地方還都趕不上汽油車(chē)。但是，包括能夠行駛更長(cháng)距離的充電電池和能夠大幅降低成本的燃料電池技術(shù)在內，支撐新一代純電動(dòng)汽車(chē)的有力技術(shù)正在穩步發(fā)展。

“2016財年之后還要等2～3年”——在“第43屆東京車(chē)展2013”上，日產(chǎn)汽車(chē)社長(cháng)兼首席執行官卡洛斯·戈恩（Carlos Ghosn）調整了純電動(dòng)汽車(chē)（EV）的普及計劃。而按照戈恩之前提出的目標，日產(chǎn)汽車(chē)與法國雷諾相加，EV的銷(xiāo)量要在2016財年之前便達到150萬(wàn)輛。

談到目標為何落空，戈恩認為充電基礎設施不夠完善是原因之一。但反言之，這也意味著(zhù)現行EV的行駛距離達不到要求。也就是說(shuō)，要想在今后將EV打造成為具有魅力的產(chǎn)品，只有提高直接影響行駛距離的車(chē)載充電電池的容量一條路可走（圖1）。

圖1：純電動(dòng)汽車(chē)依靠材料革新克服課題

面對純電動(dòng)汽車(chē)存在的諸多課題，通過(guò)改進(jìn)材料，探索根本解決措施的動(dòng)態(tài)愈發(fā)活躍。無(wú)線(xiàn)供電通過(guò)結合自動(dòng)泊車(chē)技術(shù)提高便利性。

2015年要開(kāi)始投入量產(chǎn)的燃料電池車(chē)（FCV）面臨著(zhù)成本與量產(chǎn)性的課題。最大的阻礙是燃料電池組使用的鉑（Pt）催化劑。如何減少鉑的使用量，或是實(shí)現“無(wú)鉑”將成為車(chē)輛開(kāi)發(fā)的競爭焦點(diǎn)。

純電動(dòng)汽車(chē)的主要部件——驅動(dòng)馬達也存在資源風(fēng)險。為了防止溫度上升時(shí)磁性減弱，驅動(dòng)馬達使用的釹-鐵-硼（Nd-Fe-B）類(lèi)燒結磁鐵（釹磁鐵）添加有稀土鏑（Dy）。為了避免價(jià)格暴漲和資源風(fēng)險，發(fā)展無(wú)鏑馬達的步伐也在加快?，F如今，逆變器對于提高效率、小型化的需求越來(lái)越大，低成本、低損耗的新一代功率半導體備受期待。

提升純電動(dòng)汽車(chē)便利性的開(kāi)發(fā)也在推進(jìn)之中。在無(wú)線(xiàn)傳輸電能的無(wú)線(xiàn)供電方面，關(guān)于標準化的討論正在如火如荼地進(jìn)行。日產(chǎn)汽車(chē)已經(jīng)公開(kāi)宣布“要在2014年內投放配備無(wú)線(xiàn)供電功能的EV”（戈恩）。

充電電池：純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池車(chē)的核心部件，對于新材料的探索仍在繼續

EV的銷(xiāo)售增長(cháng)雖然不及預期，但毋庸置疑的是，在未來(lái)，隨著(zhù)二氧化碳排放標準的強化，EV必將成為重要的戰略車(chē)型。EV普及的一大關(guān)鍵，在于高能量密度的充電電池的開(kāi)發(fā)。

另一方面，企業(yè)要想滿(mǎn)足環(huán)境標準的要求，除了發(fā)展EV之外，普及利用燃料電池替代發(fā)動(dòng)機的FCV也是一個(gè)方向。FCV也需要配備充電電池。根據充電電池性能的不同，燃料電池需要的輸出功率也大不相同。

在此背景下，全球的充電電池開(kāi)發(fā)競爭日趨激烈。開(kāi)發(fā)的主線(xiàn)是為鋰離子充電電池探索新的可用材料（圖2）?，F行EV鋰離子充電電池一個(gè)單元的能量密度為60～140Wh/kg。小型EV充電1次只能行駛160公里左右。因此，EV首先需要將電池單元的能量密度提高到250Wh/kg左右，使1次充電的行駛距離達到約300公里。

圖2：純電動(dòng)汽車(chē)的普及必須依靠電池性能的飛躍

EV和PHEV使用的鋰離子充電電池的能量密度將力爭在2020年達到250Wh/kg，在2030年達到500Wh/kg，實(shí)現全面普及。

為了提高容量，硅（Si）類(lèi)負極材料即將在車(chē)載領(lǐng)域投入實(shí)用。在理論上，硅能夠實(shí)現的容量，約是當前使用的石墨材料的10倍。但硅在充放電時(shí)的膨脹和收縮過(guò)大，壽命方面存在難點(diǎn)。

作為改善膨脹和收縮問(wèn)題，同時(shí)提高容量的材料，一氧化硅（SiO）等硅類(lèi)氧化物成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。例如，大阪鈦業(yè)科技推出了具備非晶構造的一氧化硅。該公司制造的一氧化硅的負極容量為1700～1800mAh/g，大約是石墨的5倍。

積水化學(xué)工業(yè)也證實(shí)，通過(guò)利用自主開(kāi)發(fā)的硅類(lèi)氧化物，能夠實(shí)現340Wh/kg左右的能量密度。其特點(diǎn)是使用離子導電度與電解液相當的凝膠電解質(zhì)，無(wú)需注入電解液，只需一道涂布工序即可完成整個(gè)單元的制造。

積水化學(xué)工業(yè)將從2014年夏季開(kāi)始供應樣品，在2015年首先面向消費類(lèi)用途實(shí)現商品化。而車(chē)載用途需要材料認證、適用審查等繁瑣的步驟，商品化最早也要等到2018年前后。

力爭達到500Wh/kg

還有看法認為，EV要想趕上當前的汽油車(chē)，使行駛距離達到500公里以上，才能真正進(jìn)入EV時(shí)代，此時(shí)電池單元的能量密度要提高到500Wh/kg以上。這就需要采用新的電池構造。比方說(shuō)爭取使用金屬鋰（Li）和硫（S）等大容量電極材料，但傳統的電解液存在的課題眾多，因此，使用固體電解質(zhì)的全固體電池成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

在基礎研究中，與只有1個(gè)電子活動(dòng)的1價(jià)鋰離子相比，使用擁有2個(gè)電子的鎂（Mg）、鋁（Al）、鈣（Ca）的多價(jià)陽(yáng)離子電池更加活躍。除此之外，這些金屬材料的儲量豐富。不同于鋰電池，可以使用鐵類(lèi)正極材料的鈉離子充電電池的研發(fā)也熱氣騰騰。

燃料電池：不脫鉑就無(wú)法普及，著(zhù)眼于穩定性好的氧化物催化劑

“填充3分鐘的氫氣可以行駛500公里以上。實(shí)現了與汽油車(chē)相同的易用性”——在豐田負責開(kāi)發(fā)FCV的田中義和（該公司產(chǎn)品策劃本部ZF主查）自豪地說(shuō)。在他的面前，是該公司在“第43屆東京車(chē)展2013”上全球首發(fā)的概念車(chē)“TOYOTA FCV CONCEPT”。

但這款車(chē)與汽油車(chē)相比，存在著(zhù)一個(gè)決定性的差異。那就是價(jià)格。大部分觀(guān)點(diǎn)都認為，豐田2015年推出的車(chē)輛售價(jià)屆時(shí)將“超過(guò)500萬(wàn)日元”。

成本高的原因之一是燃料電池組使用的鉑催化劑。到2015年，1輛FCV估計將使用50～100g鉑。到FCV正式進(jìn)入普及期的“2025年前后”（本田高管），汽車(chē)企業(yè)必須大幅減少鉑的使用量。

不只是成本，從風(fēng)險管理的角度出發(fā)，也需要減少鉑的使用量。因為鉑的儲量9成在南非（圖3），而南非礦石的鉑含量正在逐年遞減。

圖3：鉑儲量集中在南非

調查數據顯示，鉑的年供應量約7成來(lái)自南非。全球儲量的9成位于南非。

在降低燃料電池組鉑使用量的研究中，與其他金屬制成合金提高鉑催化劑的活性、使用鉑包覆貴金屬和賤金屬的“核殼催化劑”的開(kāi)發(fā)進(jìn)展顯著(zhù)。但要想從根本上解決問(wèn)題，“只有‘脫鉑’一條路可走”（橫濱國立大學(xué)研究生院工學(xué)研究院綠氫研究中心主任太田健一郎）。

FCV配備的PEFC（固體高分子形燃料電池）要在低于100℃的低溫下工作，反應速度很慢。因此，必須使用鉑催化劑，促進(jìn)空氣電極的氧化還原反應（ORR：oxygen reduction reaction）。過(guò)去的研究一直把思路放在尋找ORR活性大的材料上面。

但太田的研究小組轉換方針，開(kāi)始尋找化學(xué)穩定性高的材料。經(jīng)過(guò)不懈地探索，他們發(fā)現，第四和第五周期的過(guò)渡金屬氧化物穩定性高（圖4）。氮氧化鉭（TaON）和氮氧化鋯（ZrON）在酸性電解液中的溶解度不到鉑的10分之1，而且，在長(cháng)時(shí)間浸泡后，ORR活性也沒(méi)有改變。

圖4：放眼穩定性尋找材料

日本橫濱國立大學(xué)的太田等人把目光投向了穩定性超過(guò)鉑的材料（a）。候選材料的儲量均大于鉑（b）。制作的氧化物類(lèi)催化劑的電流密度在4年間提高到了原來(lái)的1000倍（c）。

最新成果顯示，鋯氧化物類(lèi)催化劑（Zr-CNO（Pc））具有高ORR活性（圖4（c））。這種催化劑以ZrOPc為起始原料，使用多層碳納米管（MWCNT），同時(shí)滿(mǎn)足了導電體和載體的作用。

目前的電流密度“約為鉑的1/10～1/50左右”（太田）。但是，“目前有不少方法可以提高鋯和鉭等氧化物類(lèi)催化劑的ORR活性”（太田）。該研究小組將力爭從2017年開(kāi)始提供樣品，在2025年前后將其應用于FCV。

大發(fā)開(kāi)發(fā)液體燃料

在普遍認為PEFC將會(huì )成為FCV燃料電池的主流的情況下，大發(fā)工業(yè)則提出了不同的觀(guān)點(diǎn)。該公司認為，“考慮到易用性，液體燃料才是最佳選擇”。在2013年的東京車(chē)展上，展出了概念車(chē)“FC 凸 DECK”（圖5）。這輛汽車(chē)通過(guò)更換燃料瓶的方式補充液體燃料。設想使用的燃料是水合肼和二氨基脲。

圖5：改進(jìn)液體燃料

大發(fā)工業(yè)的FCV概念車(chē)“FC 凸 DECK”在“第43屆東京車(chē)展2013”上首度展露真容。使用無(wú)需貴金屬的液體燃料是最大的特點(diǎn)。

與水合肼相比，二氨基脲沒(méi)有毒性，更易于儲存和使用。但輸出功率較低，因此，目前的開(kāi)發(fā)是2種燃料并行。因為電解質(zhì)膜使用的是陰離子交換膜，所以催化劑可以采用鎳類(lèi)和鐵類(lèi)。

馬達：無(wú)鏑一舉解決資源問(wèn)題和高性能化

與燃料電池相同，馬達也背負著(zhù)資源風(fēng)險。這是因為左右馬達性能的磁鐵大量使用稀土。面向純電動(dòng)汽車(chē)的馬達必不可少的釹磁鐵含有重量比約為8％的稀土鏑（Dy）。

釹磁鐵使用鏑是為了在170～200℃的高溫下維持較高的矯頑力。但鏑不僅產(chǎn)量主要集中在中國，而且會(huì )對磁鐵的性能產(chǎn)生影響。日本物質(zhì)材料研究機構（NIMS）研究員磁性材料組組長(cháng)寶野和博說(shuō)：“使用鏑的話(huà)，會(huì )使磁鐵能夠對外做功的最大值，也就是最大能量密度大幅降低?！币虼?，如果能夠制造出“無(wú)鏑”的釹磁鐵，資源和性能兩大課題即可迎刃而解。

無(wú)鏑釹磁鐵的開(kāi)發(fā)日趨活躍，昭和電工已于2013年11月底面向FA投入量產(chǎn)。其性能與添加了4％的鏑的釹磁鐵不相上下。

釹磁鐵的矯頑力隨晶體粒徑的微細化增加（圖6）。寶野等人與豐田合作，正在著(zhù)手開(kāi)發(fā)晶體粒徑不到1μm的釹磁鐵?，F在，晶體粒徑為0.2μ～0.3μm的試制品的矯頑力達到了約2T?！胺霞冸妱?dòng)汽車(chē)需要的2.5～3T的實(shí)現已經(jīng)進(jìn)入了視野”（寶野）。在這項研究中，縮小晶體粒徑采用了熱加工處理的方式。處理得到了大同電子的協(xié)助。

圖6：縮小晶體粒徑，不依靠鏑提高矯頑力

釹磁鐵具有晶體粒徑越小，越容易提高矯頑力的傾向。熱加工是使晶體粒徑小于1μm的有效方法。（圖：《日經(jīng)電子》根據日本物質(zhì)材料研究機構的資料制作）

除此之外，馬達開(kāi)發(fā)還出現了開(kāi)創(chuàng )新構造的動(dòng)向。芝浦工業(yè)大學(xué)工學(xué)部電氣電子學(xué)群電子工學(xué)科副教授赤津觀(guān)正在開(kāi)發(fā)利用GMR（giant magnetoresistance）元件替代線(xiàn)圈的馬達（圖7）。

圖7：利用GMR元件制造自旋電子馬達

芝浦工業(yè)大學(xué)的赤津提出了利用GMR元件制造自旋電子馬達的方案。目的是把定子更換為GMR元件，借此提高扭矩密度。（圖：《日經(jīng)電子》根據芝浦工業(yè)大學(xué)的資料制作）

GMR元件可以利用電流控制磁化方向。使用GMR元件作為馬達的定子，使用永磁鐵作為轉子的“自旋電子馬達”已經(jīng)出現。

鐵心采用線(xiàn)圈的傳統定子會(huì )因為銅線(xiàn)的銅損導致扭矩降低。而采用GMR元件可以消除銅損，從而實(shí)現高扭矩馬達。馬達目前尚處于工作驗證階段，“首先將爭取在醫療器械等小型產(chǎn)品中投入實(shí)用”（赤津）。

逆變器：替代碳化硅的氧化鎵，力爭2020年供應樣品

逆變器的作用是將大容量充電電池存儲的電能從直流轉變成交流，帶動(dòng)馬達運轉。隨著(zhù)充電電池和馬達的進(jìn)化，新一代逆變器的研發(fā)也在同步開(kāi)展。

逆變器小型化和高性能化的關(guān)鍵，掌握在功率半導體的手中。在純電動(dòng)汽車(chē)用途，新一代功率半導體碳化硅（SiC）公認將成為主流。按照羅姆的推測，驅動(dòng)馬達的逆變器“將從2016～2017年開(kāi)始配備”碳化硅。開(kāi)發(fā)碳化硅的競爭對手也在為2010年代后期投入實(shí)用而相互較勁。

“有一種材料蘊含著(zhù)超越碳化硅的潛力”——日本信息通信研究機構（NICT）的東脅正高（NICT未來(lái)ICT研究所綠色ICT器件尖端開(kāi)發(fā)中心主任）的研究組把目光對準了氧化鎵（Ga2O3）。因為與碳化硅和氮化鎵（GaN）相比，氧化鎵能夠以低廉的成本，制造出耐壓高、損耗低的功率半導體。

氧化鎵有多種晶體結構，β型最為穩定。β型氧化鎵的帶隙高達4.8～4.9eV。相當于硅的4倍以上，甚至比碳化硅的3.3eV、氮化鎵的3.4eV還要高（圖8）。而且，左右功率半導體性能的低損耗性的指標“Baliga優(yōu)值指數”約是碳化硅的10倍、氮化鎵的4倍。

圖8：利用氧化鎵試制MOSFET

信息通信研究機構等研究組正在開(kāi)發(fā)使用β型氧化鎵的新一代功率半導體（a）。并對使用該材料的耗盡型MOSFET的工作情況進(jìn)行了確認（b）。

東脅等人已經(jīng)在2012年試制β型氧化鎵MESFET（metal semiconductorfield effect transistor），并對工作情況進(jìn)行了確認。這次又使用該材料試制了耗盡型MOSFET。試制品的耐壓為370V，加載 4V的柵極電壓時(shí)，最大漏電流密度為39mA/mm。漏電流的開(kāi)關(guān)比在100℃下為107左右，在250℃的高溫下也保持住了104左右的水平。漏電流開(kāi)關(guān)比的實(shí)用水平為106～107上下。

NICT為了推動(dòng)氧化鎵的開(kāi)發(fā)，在2013年12月1日成立了“綠色ICT器件尖端開(kāi)發(fā)中心”。擔任主任的東脅意氣風(fēng)發(fā)地表示，“我們將從2020年開(kāi)始供應氧化鎵功率半導體樣品，在2025年之前正式投入量產(chǎn)”。

無(wú)線(xiàn)供電：標準最快將于2014年內出臺，頻率花落85kHz

面向純電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)供電朝著(zhù)實(shí)用化前進(jìn)了一大步。2013年11月，美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )（SAE）宣布，純電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)供電將使用85kHz頻帶（81.38k～90.00kHz）（圖9）。

圖9：開(kāi)始完善面向實(shí)用化的環(huán)境

在面向汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)供電方面，使用85kHz頻帶的方案希望最大（a）。通過(guò)結合自動(dòng)泊車(chē)，可以解決送受電線(xiàn)圈錯位的課題。照片是電裝的自動(dòng)泊車(chē)演示（b）。（圖：（a）為《日經(jīng)電子》根據早稻田大學(xué)的資料制作）

SAE預定在2014～2015年其間發(fā)布面向無(wú)線(xiàn)供電的標準“SAE J2954”。此次出臺的85kHz頻帶是日本和德國的汽車(chē)企業(yè)、美國高通公司等主張的頻帶。按照當前方針，SAEJ2954將綜合最大輸出功率為3.7千瓦（一般家庭）、7.7千瓦（公共）、22千瓦（快速充電）、200千瓦（大型車(chē)）的4種標準。

在實(shí)際使用時(shí)，“應該可以根據使用方式，選擇適合的輸出功率”（某無(wú)線(xiàn)供電業(yè)內人士）。如果是晚上在家中用8小時(shí)緩慢充電，只需選擇3.7千瓦即可。如果是外出時(shí)需要快速充電，則可以選擇支持22千瓦的無(wú)線(xiàn)供電系統。

為了應對這樣的動(dòng)向，高通等公司已經(jīng)面向多種輸出方式，準備了同類(lèi)系統。

一直以來(lái)的技術(shù)課題——供電線(xiàn)圈與受電線(xiàn)圈錯位的問(wèn)題可以通過(guò)結合自動(dòng)泊車(chē)技術(shù)加以解決。改進(jìn)供電和受電線(xiàn)圈的構造也是一種有效的辦法。名為螺線(xiàn)管的方形線(xiàn)圈在水平方向的錯位容許量大。目前，住友電氣工業(yè)和Technova等正在開(kāi)發(fā)螺線(xiàn)管。

關(guān)于未來(lái)在行駛中實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電的探討也在進(jìn)行之中。韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）正在開(kāi)發(fā)的“OLEV”一馬當先。但行駛中供電的電力傳輸效率僅為65％左右。主要依靠的還是效率為80％的靜止無(wú)線(xiàn)供電。由此可見(jiàn)，在探討無(wú)線(xiàn)供電的時(shí)候，有必要考慮設置充電專(zhuān)用車(chē)道。