電池開(kāi)發(fā)呈多樣化，更加注重安全性能（上）

　　此前充電電池在手機及筆記本電腦等便攜終端用途方面得到了不斷發(fā)展。在電動(dòng)汽車(chē)及定置用蓄電系統等多種用途需求高漲的形勢下，充電電池的研發(fā)也呈現出了多樣化趨勢。不僅是鋰離子充電電池，鋰離子電容器及氧化還原液流電池等新型蓄電裝置器件也開(kāi)始受到關(guān)注。

　　充電電池的開(kāi)發(fā)開(kāi)始發(fā)生巨大變化。其原因是，除了此前作為主流用途的便攜終端之外，用于電動(dòng)汽車(chē)及定置用蓄電系統等多種用途的機遇也在急劇增加。

　　有預測稱(chēng)，到2020年僅電動(dòng)汽車(chē)的年市場(chǎng)規模就會(huì )達到900萬(wàn)輛，鋰離子充電電池的產(chǎn)量需要提高至約相當于目前市場(chǎng)規模的兩倍注1）。

　　注1）2020年HEV的年市場(chǎng)規模達到600萬(wàn)輛、EV及PHEV合計達到300萬(wàn)輛（銷(xiāo)量）時(shí)，假設每輛HEV平均需要1kWh容量、每輛EV和PHEV需要10kWh容量的鋰離子充電電池，電池年產(chǎn)量就需要達到36GWh。目前鋰離子充電電池的年市場(chǎng)規模為18GWh左右，因此僅電動(dòng)汽車(chē)用電池的市場(chǎng)規模就會(huì )達到目前的兩倍。

　　此外，受東日本大地震后核電站事故的影響，整個(gè)日本出現了供電短缺，因而對定置用蓄電系統的需求急劇增加。在2011年10月舉行的“CEATEC JAPAN 2011”上，大型電子廠(chǎng)商紛紛展出了蓄電系統。盡管各企業(yè)均未正式開(kāi)始銷(xiāo)售，但都打算在2012年以后擴大業(yè)務(wù)。

各種用途需要的性能不同

　　為了滿(mǎn)足快速擴大的市場(chǎng)需求，充電電池的研發(fā)日益活躍。此前作為市場(chǎng)主流的便攜終端用充電電池，以旨在實(shí)現高容量化的研發(fā)為主。手機及筆記本電腦等要求電池具備的最重要性能是，充電一次可使用很長(cháng)時(shí)間。此前，人們一直認為壽命達到“2年左右即可”，寧可犧牲壽命也要優(yōu)先實(shí)現高容量化。

　　但電動(dòng)汽車(chē)及定置用途要求電池具備的性能更加多樣（圖1）。比如，電動(dòng)汽車(chē)有混合動(dòng)力車(chē)（HEV）、插電式混合動(dòng)力車(chē)（PHEV）及純電動(dòng)車(chē)（EV）等多種車(chē)型。各種車(chē)型要求電池具備的性能也不同。

圖1：隨著(zhù)用途的不斷擴大，要求電池具備的特性也日益多樣化
不僅是便攜終端，汽車(chē)及定置用途對電池的需求也不斷高漲。因而，要求電池具備的特性也隨之呈現出多樣化，除了高容量之外，還包括高輸出功率、長(cháng)壽命及高安全性等。

　　具體而言，HEV在加減速時(shí)需要大電力交換，因此高輸出功率的電池較為理想。而EV與便攜終端一樣，要求充電一次可行駛很長(cháng)的距離，因此必須實(shí)現高容量化。對電池容量的要求為HEV＜PHEV＜EV，而對電池輸出功率的要求為HEV＞PHEV＞EV。不過(guò)，電動(dòng)汽車(chē)與便攜終端相比，要求電池具有更長(cháng)的壽命及更高的安全性。

　　定置用途也一樣。以夜間儲存電力供白天使用的電網(wǎng)電力高峰期轉換（Peak Shift）用途為代表，大樓蓄電系統及家用蓄電系統要求電池具備非常大的容量。而用來(lái)抑制安裝量不斷增加的大規模光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電的輸出功率變化時(shí)，則必須使用對輸出功率變化具有較高耐性的高功率電池。而且，定置用途與電動(dòng)汽車(chē)用途相比，不僅要求電池壽命更長(cháng)，而且用于大樓蓄電系統及家用蓄電系統時(shí)，必須具備發(fā)生火災時(shí)不會(huì )燃燒的高安全性。

高功率鋰離子電容器

　　隨著(zhù)用途的不斷擴大，除了此前的高容量化之外，各用途還迫切要求電池具備高輸出功率、高安全性及長(cháng)壽命等特性。今后鋰離子充電電池的改進(jìn)仍是開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，但估計有的領(lǐng)域會(huì )興起新的蓄電裝置（圖2）。

圖2：仍以鋰離子充電電池為主，但新型蓄電裝置開(kāi)始興起
今后在各種用途中仍以鋰離子充電電池為主，但估計各種蓄電裝置會(huì )按不同用途區分使用，鋰離子電容器用于高輸出功率用途，氧化還原液流電池等用于大容量用途。

　　比如，HEV用途以及大規?？稍偕茉吹妮敵龉β首儎?dòng)平均化用途方面，功率高且壽命長(cháng)的鋰離子電容器的使用機會(huì )將會(huì )增加。此外，定置用大容量蓄電系統用途方面，可輕松實(shí)現大型化的氧化還原液流電池也備受關(guān)注。

　　關(guān)于鋰離子電容器與氧化還原液流電池，下面根據二者與鋰離子充電電池的不同，介紹一下兩種產(chǎn)品的特點(diǎn)（表1）。鋰離子充電電池利用的是鋰離子的脫離及附著(zhù)反應，因此可以組合多種正極材料與負極材料，研發(fā)候選對象較多。

　　而鋰離子電容器是雙電層電容器的一種。正極端利用雙電層效應產(chǎn)生的靜電容量，而負極端則與鋰離子充電電池一樣利用伴隨鋰離子的氧化還原反應而產(chǎn)生的蓄電效應 注2）。

　　注2）鋰離子電容器的能量密度高于雙電層電容器的原因在于，單元的電壓及靜電容量增加。傳統電容器的電壓為2.5～3V左右，通過(guò)添加鋰離子，可使電壓上升至約4V。添加鋰離子時(shí)，負極蓄積的靜電容量高于以往的活性炭，整個(gè)單元的靜電容量可增至原來(lái)的約兩倍。因此，可將能量密度提高至3.5～5倍。

　　由此，使得鋰離子電容器既具備雙電層電容器的高功率及長(cháng)壽命優(yōu)點(diǎn)，又克服了雙電層電容器的能量密度低的缺點(diǎn)。

　　日本ACT、FDK、JM Energy及新神戶(hù)電機等企業(yè)均已開(kāi)始投產(chǎn)鋰離子電容器。2011年10月，FDK與旭化成共同成立了鋰離子電容器合資公司，開(kāi)始正式開(kāi)展業(yè)務(wù) 注3）。

　　注3）FDK與旭化成于2011年10月3日成立了從事鋰離子電容器業(yè)務(wù)的合資公司“旭化成FDK能源設備”。FDK的出資比例占51％，旭化成占49％。

可輕松實(shí)現大型化的氧化還原液流電池

　　氧化還原液流電池利用隔膜隔離兩種離子溶液，用泵使兩種溶液從儲液罐開(kāi)始循環(huán)流動(dòng)，設置在兩種溶液中的電極會(huì )分別進(jìn)行氧化反應和還原反應。目前，利用釩（V）價(jià)態(tài)變化的電池已達到實(shí)用水平。

　　日本的住友電氣工業(yè)從1985年開(kāi)始與關(guān)西電力合作進(jìn)行開(kāi)發(fā)，到2000年前后已有多個(gè)研究成果投入使用。但當時(shí)多用于儲存夜晚電力供白天使用等高峰期轉換用途，只具有夜間與白天電費差別帶來(lái)的成本優(yōu)勢，因而無(wú)法增加銷(xiāo)量。

　　但最近，引入太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源已成趨勢，而且東日本大地震后電力短缺，高峰期轉換用途需求高漲，因而有觀(guān)點(diǎn)認為，“氧化還原液流電池足可應用于穩定供電用途”（住友電工）。

　　氧化還原液流電池與鋰離子充電電池相比，雖然能量密度偏低，但由于提高輸出功率只需增設單元堆棧，提高容量只需增設釩溶液罐，因此很容易實(shí)現大型化。而且，還具有可準確測量充電狀態(tài)的特點(diǎn)。

　　住友電氣工業(yè)2011年6月公開(kāi)的用于實(shí)證試驗的氧化還原液流電池，配備兩個(gè)最大輸出功率為2kW的單元。額定輸出功率為2kW，該輸出功率可確保10kWh的容量。公開(kāi)的系統主要用于實(shí)證試驗，該公司打算在實(shí)際應用時(shí)以采用數MW或數MWh級的系統為目標。

高容量化仍為開(kāi)發(fā)主流

　　各領(lǐng)域將如何瞄準2020年推進(jìn)電池開(kāi)發(fā)呢？在便攜終端領(lǐng)域，估計今后的開(kāi)發(fā)主流仍以實(shí)現高容量化為目標（圖3）。盡管目前的便攜終端用充電電池也有鎳氫充電電池及鎳鎘（Ni-Cd）充電電池等，但傳統手機、智能手機、筆記本電腦及平板終端已開(kāi)始采用鋰離子充電電池。

圖3：各不同用途的開(kāi)發(fā)方向
便攜終端用途方面，技術(shù)開(kāi)發(fā)重心是高容量化（a）。電動(dòng)汽車(chē)用途方面，EV及PHEV用途的目標是使可實(shí)現高容量化的電池達到實(shí)用水平，此外HEV用途有望采用鋰離子電容器（b）。定置用途方面，估計在面向蓄電系統提高安全性與壽命的同時(shí)，以降低成本為目標的新型電池的開(kāi)發(fā)也會(huì )不斷推進(jìn)（c）。

　　目前，鋰離子充電電池單位體積的能量密度已達到600Wh/L左右，在市面上的充電電池中能量密度最高注4）。

　　注4）在目前的便攜終端用鋰離子充電電池中，索尼預定2011年內使筆記本電腦用圓筒形單元“18650”中單位體積能量密度提高至723Wh/L的產(chǎn)品實(shí)用化。該鋰電池的負極采用Sn類(lèi)合金。

　　但負極材料采用石墨的現行鋰離子充電電池的能量密度正在接近極限。今后將通過(guò)混合使用硅（Si）及錫（Sn）等合金類(lèi)負極材料，來(lái)提高能量密度，目標是到2020年使能量密度達到800～1000Wh/L左右。

　　便攜終端用電池方面，雖然高容量化仍是今后的開(kāi)發(fā)主流，但部分企業(yè)已開(kāi)始轉向其他開(kāi)發(fā)方向，比如將原來(lái)長(cháng)達1～2小時(shí)的充電時(shí)間縮短至10分鐘左右，在不增加容量的情況下提高易用性。

　　以NTT DoCoMo為例，該公司在CEATEC JAPAN 2011上公開(kāi)了可在10分鐘內快速充電的移動(dòng)電源試制品?？衫猛獬銮盎蛟诓蛷d吃飯時(shí)等較短的時(shí)間，為移動(dòng)電源快速充電，然后再利用移動(dòng)電源為智能手機充電。

　　如果能夠結合使用NTT DoCoMo已開(kāi)始銷(xiāo)售的無(wú)線(xiàn)供電系統，構建可隨時(shí)隨地快速充電的基礎設施，便有望在不增加充電電池容量的情況下提高便攜終端的易用性注5）。

　　注5）NTT DoCoMo推出了配備非接觸充電功能“放置充電”的智能手機。該公司為了提高這些智能手機的易用性，目前正在咖啡館及機場(chǎng)候機室等場(chǎng)所建設可進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電的基礎設施。

低成本化要求嚴格

　　在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，HEV用途與PHEV/EV用途的開(kāi)發(fā)方向將涇渭分明。HEV用途方面，因較為重視高輸出功率及長(cháng)壽命，除了鋰離子充電電池之外，估計還會(huì )采用鋰離子電容器。而PHEV及EV用途方面，將會(huì )開(kāi)發(fā)既具備高安全性及長(cháng)壽命，又能實(shí)現高容量化的電池。而且，電動(dòng)汽車(chē)用途對低成本化的要求非常嚴格。估計很難采用現有便攜終端用電池采用的鈷（Co）等成本較高的材料。

　　定置用途方面的開(kāi)發(fā)動(dòng)向也一樣?？稍偕茉雌骄猛痉矫?，已開(kāi)始引入鋰離子電容器，以電網(wǎng)電力的高峰期轉換用途為代表，大樓及住宅用蓄電系統用途與PHEV及EV用途一樣，要求電池安全性高、壽命長(cháng)，而且可以提高容量。但低成本化要求比電動(dòng)汽車(chē)用途更為嚴格，估計超過(guò)1MW的大型電池還會(huì )采用氧化還原液流電池。