鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：650次 | 2021年09月21日
電池開(kāi)發(fā)呈多樣化，更加重視安全性能
此前充電電池在手機(jī)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(tǒng)等多種用途需求高漲的形勢(shì)下，充電電池的研發(fā)也呈現(xiàn)出了多樣化趨勢(shì)。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(tǒng)等多種用途的機(jī)遇也在急劇新增。
有預(yù)測(cè)稱(chēng)，到2020年僅電動(dòng)汽車(chē)的年市場(chǎng)規(guī)模就會(huì)達(dá)到900萬(wàn)輛，鋰離子充電電池的產(chǎn)量要提高至約相當(dāng)于目前市場(chǎng)規(guī)模的兩倍注1)。
2020年HEV的年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到600萬(wàn)輛、EV及PHEV合計(jì)達(dá)到300萬(wàn)輛(銷(xiāo)量)時(shí)，假設(shè)每輛HEV平均要1kWh容量、每輛EV和PHEV要10kWh容量的鋰離子充電電池，電池年產(chǎn)量就要達(dá)到36GWh。目前鋰離子充電電池的年市場(chǎng)規(guī)模為18GWh左右，因此僅電動(dòng)汽車(chē)用電池的市場(chǎng)規(guī)模就會(huì)達(dá)到目前的兩倍。
此外，受東日本大地震后事故的影響，整個(gè)日本出現(xiàn)了供電短缺，因而對(duì)定置用蓄電系統(tǒng)的需求急劇新增。在2011年十月舉辦的CEATECJAPAN2011上，大型電子廠商紛紛展出了蓄電系統(tǒng)。盡管各公司均未正式開(kāi)始銷(xiāo)售，但都打算在2012年以后擴(kuò)大業(yè)務(wù)。
各種用途要的性能不同
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
為了滿足快速擴(kuò)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(xiàn)高容量化的研發(fā)為主。手機(jī)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(zhǎng)時(shí)間。此前，人們一直認(rèn)為壽命達(dá)到2年左右即可，寧可犧牲壽命也要優(yōu)先實(shí)現(xiàn)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。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)汽車(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：隨著用途的不斷擴(kuò)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(duì)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(xiàn)出多樣化，除了高容量之外，還包括高輸出功率、長(zhǎng)壽命及高安全性等。
具體而言，HEV在加減速時(shí)要大電力交換，因此高輸出功率的電池較為理想。而EV與便攜終端相同，要求充電一次可行駛很長(zhǎng)的距離，因此必須實(shí)現(xiàn)高容量化。對(duì)電池容量的要求為HEVPHEV>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(zhǎng)的壽命及更高的安全性。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
定置用途也相同。以夜間儲(chǔ)存電力供白天使用的電網(wǎng)電力高峰期轉(zhuǎn)換(PeakShift)用途為代表，大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)要求電池具備非常大的容量。而用來(lái)抑制安裝量不斷新增的大規(guī)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(duì)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(zhǎng)，而且用于大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)時(shí)，必須具備發(fā)生火災(zāi)時(shí)不會(huì)燃燒的高安全性。
高功率鋰離子電容器
隨著用途的不斷擴(kuò)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(zhǎng)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(jì)有的領(lǐng)域會(huì)興起新的蓄電裝置.
今后在各種用途中仍以鋰離子充電電池為主，但估計(jì)各種蓄電裝置會(huì)按不同用途區(qū)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(guī)模可再生能源的輸出功率變動(dòng)平均化用途方面，功率高且壽命長(zhǎng)的鋰離子電容器的使用機(jī)會(huì)將會(huì)新增。此外，定置用大容量蓄電系統(tǒng)用途方面，可輕松實(shí)現(xiàn)大型化的氧化還原液流電池也備受關(guān)注。
有關(guān)鋰離子電容器與氧化還原液流電池，下面根據(jù)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)。鋰離子充電電池利用的是鋰離子的脫離及附著反應(yīng)，因此可以組合多種正極材料與負(fù)極材料，研發(fā)候選對(duì)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(yīng)出現(xiàn)的靜電容量，而負(fù)極端則與鋰離子充電電池相同利用伴隨鋰離子的氧化還原反應(yīng)而出現(xiàn)的蓄電效應(yīng)。
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新增。傳統(tǒng)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(fù)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(zhǎng)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、JMEnergy及新神戶(hù)電機(jī)等公司均已開(kāi)始投產(chǎn)鋰離子電容器。2011年十月，F(xiàn)DK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)。
FDK與旭化成于2011年十月三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(shè)備。FDK的出資比例占51%，旭化成占49%。
可輕松實(shí)現(xiàn)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(chǔ)液罐開(kāi)始循環(huán)流動(dòng)，設(shè)置在兩種溶液中的電極會(huì)分別進(jìn)行氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。目前，利用釩(V)價(jià)態(tài)變化的電池已達(dá)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(dāng)時(shí)多用于儲(chǔ)存夜晚電力供白天使用等高峰期轉(zhuǎn)換用途，只具有夜間與白天電費(fèi)差別帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)，因而無(wú)法新增銷(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(shì)，而且東日本大地震后電力短缺，高峰期轉(zhuǎn)換用途需求高漲，因而有觀點(diǎn)認(rèn)為，氧化還原液流電池足可應(yīng)用于穩(wěn)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(shè)單元堆棧，提高容量只需增設(shè)釩溶液罐，因此很容易實(shí)現(xiàn)大型化。而且，還具有可準(zhǔn)確測(cè)量充電狀態(tài)的特點(diǎn)。
住友電氣工業(yè)2011年六月公開(kāi)的用于實(shí)證試驗(yàn)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(tǒng)重要用于實(shí)證試驗(yàn)，該公司打算在實(shí)際應(yīng)用時(shí)以采用數(shù)MW或數(shù)MWh級(jí)的系統(tǒng)為目標(biāo)。
高容量化仍為開(kāi)發(fā)主流
各領(lǐng)域?qū)⑷绾蚊闇?zhǔn)2020年推進(jìn)電池開(kāi)發(fā)呢?在便攜終端領(lǐng)域，估計(jì)今后的開(kāi)發(fā)主流仍以實(shí)現(xiàn)高容量化為目標(biāo)。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(tǒng)手機(jī)、智能手機(jī)、筆記本電腦及平板終端已開(kāi)始采用鋰離子充電電池。
圖2：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(biāo)是使可實(shí)現(xiàn)高容量化的電池達(dá)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(jì)在面向蓄電系統(tǒng)提高安全性與壽命的同時(shí)，以降低成本為目標(biāo)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(dá)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(yù)定2011年內(nèi)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。該鋰離子電池的負(fù)極采用Sn類(lèi)合金。
但負(fù)極材料采用石墨的現(xiàn)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(fù)極材料，來(lái)提高能量密度，目標(biāo)是到2020年使能量密度達(dá)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，但部分公司已開(kāi)始轉(zhuǎn)向其他開(kāi)發(fā)方向，比如將原來(lái)長(zhǎng)達(dá)1～2小時(shí)的充電時(shí)間縮短至10分鐘左右，在不新增容量的情況下提高易用性。
以NTTDoCoMo為例，該公司在CEATECJAPAN2011上公開(kāi)了可在10分鐘內(nèi)快速充電的移動(dòng)電源試制品。可利用外出前或在餐廳吃飯時(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(jī)充電。
假如能夠結(jié)合使用NTTDoCoMo已開(kāi)始銷(xiāo)售的無(wú)線供電系統(tǒng)，構(gòu)建可隨時(shí)隨地快速充電的基礎(chǔ)設(shè)施，便有望在不新增充電電池容量的情況下提高便攜終端的易用性注5)。
NTTDoCoMo推出了配備非接觸充電功能放置充電的智能手機(jī)。該公司為了提高這些智能手機(jī)的易用性，目前正在咖啡館及機(jī)場(chǎng)候機(jī)室等場(chǎng)所建設(shè)可進(jìn)行無(wú)線充電的基礎(chǔ)設(shè)施。
低成本化要求嚴(yán)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?qū)芪挤置?。HEV用途方面，因較為重視高輸出功率及長(zhǎng)壽命，除了鋰離子充電電池之外，估計(jì)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(zhǎng)壽命，又能實(shí)現(xiàn)高容量化的電池。而且，電動(dòng)汽車(chē)用途對(duì)低成本化的要求非常嚴(yán)格。估計(jì)很難采用現(xiàn)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)向也相同?？稍偕茉雌骄猛痉矫妫验_(kāi)始引入鋰離子電容器，以電網(wǎng)電力的高峰期轉(zhuǎn)換用途為代表，大樓及住宅用蓄電系統(tǒng)用途與PHEV及EV用途相同，要求電池安全性高、壽命長(zhǎng)，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(yán)格，估計(jì)超過(guò)1MW的大型電池還會(huì)采用氧化還原液流電池。
