第四届中国(广州)国际电池与储能技术博览会

 

暨第九届中国锂电产业峰会

 


2019年5月8-10日 广州琶洲·国际采购中心
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钠离子电池:不使用稀有金属 或成镍氢电池和锂

发表时间:2015-10-10   浏览次数:
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2010年,钓鱼岛海域发生中日撞船事件后,中国开始从实质上限制稀土出口。稀土是混合动力车用电动机和有机EL显示器等高科技产业必不可少的资源,也被称作“产业的维生素”。

 

 

  有着“后电池”之称的钠离子电池最近成为关注的焦点。这种电池的特点是不使用稀有金属,只使用通常的材料。曾被视作看家本领的日本电池产业能否借此重振雄风?

  2010年,钓鱼岛海域发生中日撞船事件后,中国开始从实质上限制稀土出口。稀土是混合动力车用电动机和有机EL显示器等高科技产业必不可少的资源,也被称作“产业的维生素”。

  中国这个世界最大的稀土生产国开始限制出口,采购危机随之出现,稀土价格飙升。磁铁使用的钕和镝的价格在2011年7月达到顶峰,是2007年的30倍以上(瑞穗实业银行产业调查部的调查结果)。不仅是日本,全世界的企业都遭受了沉重打击。

 

  危机尚未结束

  之后,随着回收再利用技术和不依赖稀土的产品开发的进步,中国的稀土价格逐渐回落。2014年,世界贸易组织(WTO)认定中国实施的出口限制违规。2015年1月,中国政府做出了撤消出口限制的决定。

  但稀土等稀有元素的危机并未就此结束。稀土只是31种稀有金属中的一部分,其他元素也完全有可能遇到出口限制之类的问题。

  锂也是一种常用的稀有金属,主要应用于电池。开发锂电池的目的,是为了满足手机和笔记本电脑对于高容量、小型电池的迫切需求。1991年,索尼在全球率先实现了锂电池的商品化,横扫了整个市场。不仅是移动设备,还得到了固定式电池和车载电池等广泛用途的采用。富士经济预测,到2018年,全球锂电池市场将扩大到2万亿日元的规模。

  日本的锂全部依靠从南美等地进口。随着市场扩大,确保未来资源供应和成本问题逐渐显现。

  而且,锂电池除了锂之外,还使用另一种稀有金属——钴。NTT设施综合研究所的调查显示,利用现行技术生产1辆纯电动汽车(EV),大约要使用20kg的锂和大约40kg的钴。即便把全球的产量都供应给EV,每年产出的锂只够700万辆车使用,而钴仅够100万辆车使用。随着再生能源的普及,如果大型蓄电池的需求增加,资源枯竭和价格暴涨不可避免。

  面对这种情况,政府不能袖手旁观。作为国家的危机管理措施,开发摆脱稀有元素依赖的技术——从2008年开始,日本启动了名为“元素战略项目”的全国性研究项目。后锂电池的开发也是项目之一。

  该项目提出用钠来替代锂。在元素周期表上,钠就在锂的下方,性质与锂相似。钠最大的好处是在海水等资源中含量丰富,是“取之不尽”的元素。

  不过,钠离子电池的开发却长期不受关注。“用钠做电池,根本行不通”,尽管材料的性质与锂相似,但材料化学专家之间依然存在这种认识。离子电池是利用离子在正极与负极之间的移动进行充放电的。在这个过程中,离子需要顺畅地进入正极与负极的材料之间。钠离子的体积大约是锂离子的两倍,很难进入电极材料,按照一般观点,钠离子无法在实用中实现充放电。因此,直到1990年代,研究人员都几乎忽视了钠离子电池。

  然而,日本的研究人员颠覆了这一固有观念。2009年,随着材料开发的进步,钠离子电池的开发稳步推进。东京理科大学教授驹场慎一(当时为副教授)的研究小组,通过在负极使用碳系材料,在世界上首先成功实现了钠离子电池的重复充放电。打破过去10次左右的充放电极限,开发出了可以重复使用几百次的电池,为实用化开辟了道路。

  以这项研究为契机,全球掀起了研究钠离子电池的竞争。论文数量在2009年之后快速增加。“全球发表的论文数量估计是以前的几百倍”(驹场教授)。

  钠离子电池有三大优点:

  一是原料成本低。不仅不使用锂、钴等稀有金属,而且通电的基板可以使用铝,而不是铜。因为不使用高价材料,所以“与锂电池相比,成本至少可以减少1成,顺利的话可以减少3成”(驹场教授)。

  二是可以沿用现有的生产工序。钠离子电池的工作机制与锂离子电池相同,电池企业的现有生产设备可以直接用来生产钠离子电池。因为基本不需要设备投资,所以各家企业容易将其作为替代电池开展生产。

 

  东京大学研究生院的山田淳夫教授等人开发的负极的示意图。由钛(红)和碳(灰)组成的片状物质

  三是可以快速充放电。驹场教授说:“在原理上,钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5。”只要实现了快速充电,自然就能缩短EV的充电时间。东京大学研究生院教授山田淳夫等人的研究小组发现,钛和碳制成的片状化合物会吸附、释放大量的钠离子。以这种化合物为电极试制的电池,即使反复进行快速充放电,性能也不会劣化。山田教授预测:“钠不会马上取代锂,而是会在适合其特性的用途,作为锂的一种替代品,逐渐得到采用。”

  企业在暗中持续开发

  为了使具备上述优点的电池实现商用化,很多家民营企业正在进行开发。例如,住友电气工业在2013年开发出了即使电池内部温度较低也能工作的钠离子电池。因为无需散热空间,所以体积成功缩小到了锂电池以下。目标是应用于住宅用蓄电池和纯电动汽车。

  丰田虽然没有公布消息,但估计也在一直在为HEV和PHEV开发钠离子电池,作为镍氢电池和锂电池的替代品。在2015年5月召开的日本电气化学会的电池技术委员会上,该公司的电池研究部宣布,为钠离子电池的正极开发出了新材料。

  三菱化学一直在与东京理科大学的驹场教授开展合作研究。“具体名称不能透露,包括海外企业在内,共有4、5家企业正在参与合作研究”(驹场教授)。

  钠离子电池虽然是企业竞相开发的热门,但也存在课题:电池中储存的能量比锂电池少。因为钠比锂重,所以同样重量的电池,锂电池的容量更大。

  经过近些年的开发竞争,钠离子电池的储能量达到锂的90%,已经可与之并肩。不过,驹场教授说:“如果没有新的突破,实用化很难。不过我认为是可以实现的。”这样说的原因是,钠离子电池的正极和负极可使用的材料种类繁多。

  铁、锰、镍、碳,等等,不仅可使用的材料多,而且,通过以不同的配比,或在不同温度下进行混合,电池的性能会发生改变。锂电池的材料经过了30年的优化,而钠电池掀起研究竞争才不过5年左右,自然隐藏着巨大的可能性。

  从铅电池、镍氢电池到锂电池,电池产业一直被视作日本的看家本领。但近年,在韩国等地的企业的冲击下,日本厂商的份额正渐渐流失。钠离子电池作为新一代电池赢得了关注。为了不使用稀有金属,在国家战略的层面上实现危机管理,也为了让日本的电池产业重返世界巅峰,钠离子电池的商用化进程正在加快脚步。