鉅大LARGE | 點擊量：642次 | 2021年09月21日
電池開發呈多樣化，更加重視安全性能
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展。在電動汽車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始受到關注。充電電池的開發開始發生巨大變化。其原因是，除了此前作為主流用途的便攜終端之外，用于電動汽車及定置用蓄電系統等多種用途的機遇也在急劇新增。
有預測稱，到2020年僅電動汽車的年市場規模就會達到900萬輛，鋰離子充電電池的產量要提高至約相當于目前市場規模的兩倍注1)。
2020年HEV的年市場規模達到600萬輛、EV及PHEV合計達到300萬輛(銷量)時，假設每輛HEV平均要1kWh容量、每輛EV和PHEV要10kWh容量的鋰離子充電電池，電池年產量就要達到36GWh。目前鋰離子充電電池的年市場規模為18GWh左右，因此僅電動汽車用電池的市場規模就會達到目前的兩倍。
此外，受東日本大地震后事故的影響，整個日本出現了供電短缺，因而對定置用蓄電系統的需求急劇新增。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。盡管各公司均未正式開始銷售，但都打算在2012年以后擴大業務。
各種用途要的性能不同
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
為了滿足快速擴大的市場需求，充電電池的研發日益活躍。此前作為市場主流的便攜終端用充電電池，以旨在實現高容量化的研發為主。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時間。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先實現高容量化。
但電動汽車及定置用途要求電池具備的性能更加多樣。比如，電動汽車有混合動力車(HEV)、插電式混合動力車(PHEV)及純電動汽車(EV)等多種車型。各種車型要求電池具備的性能也不同。
圖1：隨著用途的不斷擴大，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、長壽命及高安全性等。
具體而言，HEV在加減速時要大電力交換，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的距離，因此必須實現高容量化。對電池容量的要求為HEVPHEV>EV。不過，電動汽車與便攜終端相比，要求電池具有更長的壽命及更高的安全性。
定置用途也相同。以夜間儲存電力供白天使用的電網電力高峰期轉換(PeakShift)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。而用來抑制安裝量不斷新增的大規模光伏發電及風力發電的輸出功率變化時，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，定置用途與電動汽車用途相比，不僅要求電池壽命更長，而且用于大樓蓄電系統及家用蓄電系統時，必須具備發生火災時不會燃燒的高安全性。
高功率鋰離子電容器
隨著用途的不斷擴大，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、高安全性及長壽命等特性。今后鋰離子充電電池的改進仍是開發重點，但估計有的領域會興起新的蓄電裝置.
今后在各種用途中仍以鋰離子充電電池為主，但估計各種蓄電裝置會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用途以及大規模可再生能源的輸出功率變動平均化用途方面，功率高且壽命長的鋰離子電容器的使用機會將會新增。此外，定置用大容量蓄電系統用途方面，可輕松實現大型化的氧化還原液流電池也備受關注。
有關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，介紹一下兩種產品的特點。鋰離子充電電池利用的是鋰離子的脫離及附著反應，因此可以組合多種正極材料與負極材料，研發候選對象較多。
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出現的靜電容量，而負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而出現的蓄電效應。
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。傳統電容器的電壓為2.5～3V左右，通過添加鋰離子，可使電壓上升至約4V。添加鋰離子時，負極蓄積的靜電容量高于以往的活性炭，整個單元的靜電容量可增至原來的約兩倍。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壽命優點，又克服了雙電層電容器的能量密度低的缺點。
日本ACT、FDK、JMEnergy及新神戶電機等公司均已開始投產鋰離子電容器。2011年十月，FDK與旭化成共同成立了鋰離子電容器合資公司，開始正式開展業務。
FDK與旭化成于2011年十月三日成立了從事鋰離子電容器業務的合資公司旭化成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始循環流動，設置在兩種溶液中的電極會分別進行氧化反應和還原反應。目前，利用釩(V)價態變化的電池已達到實用水平。
日本的住友電氣工業從1985年開始與關西電力合作進行開發，到2000年前后已有多個研究成果投入使用。但當時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的成本優勢，因而無法新增銷量。
但最近，引入太陽能發電和風力發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，因而有觀點認為，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，因此很容易實現大型化。而且，還具有可準確測量充電狀態的特點。
住友電氣工業2011年六月公開的用于實證試驗的氧化還原液流電池，配備兩個最大輸出功率為2kW的單元。額定輸出功率為2kW，該輸出功率可確保10kWh的容量。公開的系統重要用于實證試驗，該公司打算在實際應用時以采用數MW或數MWh級的系統為目標。
高容量化仍為開發主流
各領域將如何瞄準2020年推進電池開發呢?在便攜終端領域，估計今后的開發主流仍以實現高容量化為目標。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始采用鋰離子充電電池。
圖2：各不同用途的開發方向
便攜終端用途方面，技術開發重心是高容量化(a)。電動汽車用途方面，EV及PHEV用途的目標是使可實現高容量化的電池達到實用水平，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，以降低成本為目標的新型電池的開發也會不斷推進(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的產品實用化。該鋰離子電池的負極采用Sn類合金。
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。今后將通過混合使用硅(Si)及錫(Sn)等合金類負極材料，來提高能量密度，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發主流，但部分公司已開始轉向其他開發方向，比如將原來長達1～2小時的充電時間縮短至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上公開了可在10分鐘內快速充電的移動電源試制品。可利用外出前或在餐廳吃飯時等較短的時間，為移動電源快速充電，然后再利用移動電源為智能手機充電。
假如能夠結合使用NTTDoCoMo已開始銷售的無線供電系統，構建可隨時隨地快速充電的基礎設施，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。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候機室等場所建設可進行無線充電的基礎設施。
低成本化要求嚴格
在電動汽車領域，HEV用途與PHEV/EV用途的開發方向將涇渭分明。HEV用途方面，因較為重視高輸出功率及長壽命，除了鋰離子充電電池之外，估計還會采用鋰離子電容器。而PHEV及EV用途方面，將會開發既具備高安全性及長壽命，又能實現高容量化的電池。而且，電動汽車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。
定置用途方面的開發動向也相同。可再生能源平均化用途方面，已開始引入鋰離子電容器，以電網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用途相同，要求電池安全性高、壽命長，而且可以提高容量。但低成本化要求比電動汽車用途更為嚴格，估計超過1MW的大型電池還會采用氧化還原液流電池。
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