日经中文网 10-26
日本电池研发新动向,用上了海带
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日本电池研发新动向,用上了海带

在日本,新一代电池材料的开发正在日趋升温。推动者是初创企业和中小企业。有的企业打出让人意想不到的材料,还有的企业委托其他企业和人脉积极推进量产化。材料左右着电池的容量和安全性等性能。如果电池材料作为竞争核心的研发活动变得活跃,新一代电池的普及或将加快。日本经济新闻探访了日本电池材料的研发一线。

以源自东京工业大学的初创企业 Enpower Japan 为中心,2018~2020 年集合了约 10 家日本的材料和设备企业。各家看中了 Enpower 拥有的全固态锂离子电池的电解质。

全固态电池市场扩大

目前的锂电池通过锂离子在正极和负极之间的电解液中移动来实现充放电。而全固态电池则利用固态电解质替代电解液。爆炸的风险很小,同时电力容量更大,因此被视为新一代电池的有力候选。

日本的富士经济的统计显示,预计全固态电池的全球市场规模到 2035 年达到约 2.7 万亿日元,增至 2018 年的 1000 倍左右。丰田和日立造船等正在推进实用化。

但是,全固态电池采用固体电解质,与电解液相比,离子不易移动,充放电需要较长时间。此外,在低温下无法使用成为一大弱点。为了克服难题,Enpower 充分利用了东京工业大学教授菅野了次等人开发的具有特殊晶体结构的硫化物。离子的易移动性被提高到普通固体电解质的 10 倍以上,超过了电解液的水平。

该公司由东京工业大学出身、曾是爱信精机电池研究人员的车勇社长和戴翔会长等人于 2018 年创建。实际上,戴翔曾留学美国德克萨斯大学,师从约翰 · 古迪纳夫(John Goodenough)教授。说起约翰 · 古迪纳夫教授,他与旭化成的名誉研究员吉野彰一起,于 2019 年通过锂电池开发获得诺贝尔奖,是电池领域的权威。

戴翔与古迪纳夫一起,共同研究了采用氧化物的电解质。结合东京工业大学的专利技术,计划到 2021 年开始生产全固态电池的电解质。车勇表示,在全球范围内,日本在高性能电池材料领域具有优势,很适合在这里进行研发。

围绕全固态电池材料,日本大型企业也在积极推进开发。出光兴产正在利用石油炼制的副产物 " 硫化氢 ",开发使用硫化物的全固态电池电解质。目前正在攻克遇水产生有害气体的课题,计划 2020 年代前半期启动量产。

在全固态电池之外,使用液体电解质的新一代电池材料方面,新兴企业也在崛起。iElectrolyte 公司研发了涂在正负电极基板上的粘合剂,材料中使用了海带的粘液成分。

在电极基板的铝箔上通过粘合剂以高密度涂布镍等材料,容纳的离子将增加,电池的容量也就随之扩大。这种高密度涂布的材料是什么呢?iElectrolyte 在行星探测器和火箭电池的研发过程中,发现在电解质中加入海带的粘液成分 " 海藻酸 " 可增加电流。

iElectrolyte 的首席执行官(CEO)石川正司凭直觉认为这种材料可以用于粘合剂。镍等材料可以分散到电极基板上,而且能涂得很厚,经过反复试验,确认了电池性能的提高。

环保政策成为东风

海带还催生了其他新技术。电池行业的分析师指出," 欧洲在加强针对电池工厂的环保政策 "。高容量电极的粘合剂主要采用有机溶剂,对环境的负面影响巨大。iElectrolyte 的粘合剂使用的是水,环境负荷小。而且海带在南美海域是被当作垃圾的无法食用的东西。正是无用的东西正在创造价值。

粘合剂是日本企业的优势领域。吴羽公司 ( KUREHA ) 和瑞翁公司 ( Zeon ) 分别在正极和负极的粘合剂领域占全球份额的近 5 成,但 iElectrolyte 将在这个领域发起挑战。

LE System 公司力争量产用于 " 氧化还原液流电池 " 的电解液。这种电池通过泵使储槽中的电解液循环。利用电极引发化学反应,实现充放电。相同重量能存储的电力少于锂电池,但产品寿命长达 20 年,而且没有爆炸的风险。

氧化还原液流电池是 5 年前被商用化的技术,但目前并未普及。原因在于价格。电解液采用稀有金属钒,占到生产和设置成本的 3~4 成。但是,LE System 公司开辟了新道路。突破口是用于火力发电的石油焦灰这种无用的材料。

该公司成功从废弃的石油焦灰中高效提取出了与硫磺和碳等混合的钒。采购成本能比此前降低 5~6 成。目前正在福岛县建设工厂,将于 2021 年启动生产,计划向国内外的电池企业供应,用于太阳能和风力发电的蓄电池。

主要竞争对手是已首次量产氧化还原液流电池的住友电气工业。该公司意图通过钛和锰代替钒的技术来普及氧化还原液流电池。

日本矢野经济研究所的统计显示,锂电池的主要零部件的全球市场规模 2018 年超过 2 万亿日元。中国在按数量份额上掌握过半数,日本和韩国的企业也加入竞争。日本的住友金属矿山在正极材料领域,三菱化学则在电解液领域分别在全球市场占有一席,支撑着日本的电池企业。

初创企业具有技术实力,但课题是量产化。还需要巨额的设备投资和人员,需要找到稳定的出资方。投资者正在关注这些初创企业在技术之后的经营状况。

" 过气技术 " 也不放弃

在电池领域,氧化还原液流电池长年被视为 " 过气技术 " 而遭到冷遇。日本住友电气工业历时 30 余年,终于在 2015 年前后将其商业化,但研发过程中曾一度被束之高阁,让技术人员惋惜不已。

" 如果能重新选择的话,我不会再做这个 ",日本 LE System 公司从事氧化还原液流电池电解液业务,社长佐藤纯一这样形容一直以来的辛劳。佐藤社长曾经担任过环保顾问,他发觉随着光伏发电的普及,大型蓄电池的市场将会扩大,于是在 2011 年创建了 LE System。但周围人并不看好,认为这是 " 过气技术 "。

尽管如此," 没有退路 " 的佐藤还是不停地拜访金融机构等,一遍又一遍地介绍业务发展前景。由于确立了打破价格昂贵这一瓶颈的技术,日本的官民基金 INCJ(原日本产业革新机构)和西松建设最终同意出资,这才有了建设工厂的眉目。

采用 LE System 电解液的氧化还原液流电池

在面向新一代电池的技术竞争中,日本有许多领域领先于海外,但如果把目光转向现行的锂离子电池的材料,就会发现正在被中韩企业超越。代表性的例子就是隔膜领域,上海恩捷的市场份额 2019 年超过日本旭化成,跃居世界第一。瑞穗银行的主任研究员汤进分析认为,增产的日系电池厂商少,日本企业在份额竞争中处于不利位置。

要想尽快发掘出有潜力的材料并投入量产,从而夺回市场份额,关键在于时间。利用人工智能(AI)寻找新材料的材料信息学(MI)似乎是争夺时间胜负的王牌。

三菱化学和松下等大型企业正广泛引入材料信息学,创业近百年的老字号化学厂商也开始利用。那就是经营实验试剂的岸田化学,该公司与研发材料信息学软件的 MI-6 公司合作,探索面向电解液的革命性材料。

材料信息学以论文和实验数据为基础,由 AI 筛选出研究人员需要的候选材料。这样省去了研究人员通过查阅论文等来筛选材料的工夫,有望缩短开发时间。

岸田化学把使用材料信息学发掘的材料组合起来,开发出抑制起火的电解液。2018 年开始面向笔记本电脑等进行生产。有机溶剂采用 " 乙酸丙酯 ",即使与阻燃剂混合起来,存储和释放的电量及寿命也能维持在与普通电解液同等的水平。今后还考虑用于钠离子电池等新一代电池电解液的开发。

在该公司德岛工厂统管电池材料业务的武市哲也厂长在 2017 年怀着 " 希望获得不同于原始积累数据的视角 " 的想法而引入了材料信息学。武市表示," 材料信息学把关注焦点指向了(乙酸丙酯等)并不起眼的候选材料 ",感觉很有成效。以往总是参考最新的论文," 往往只关注符合流行趋势的候选材料 "。

不过,目前 " 开发时间并未缩短 ",效率提升仍在探索之中。原因是目前材料信息学的系统给出的候选多达 300~400 种,处于研究人员分别对其进行验证的阶段。今后随着分析精度的不断提高,除材料的组合方式外,还将摸索混合比例,努力提高开发效率。对材料厂商来说,应用材料信息学或将成为未来的生命线。

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