充電電池的研發(fā)呈多樣化，更加注重安全性能

　　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)汽車及定置用蓄電系統(tǒng)等多種用途的機(jī)遇也在急劇增加。

　　有預(yù)測(cè)稱，到2020年僅電動(dòng)汽車的年市場(chǎng)規(guī)模就會(huì)達(dá)到900萬(wàn)輛，鋰離子充電電池的產(chǎn)量需要提高至約相當(dāng)于目前市場(chǎng)規(guī)模的兩倍注1）。

　　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（銷量）時(shí)，假設(shè)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(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，受東日本大地震后核電站事故的影響，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)的需求急劇增加。在2011年10月舉行的“CEATEC JAPAN 2011”上，大型電子廠商紛紛展出了蓄電系統(tǒng)。盡管各企業(yè)均未正式開(kāi)始銷售，但都打算在2012年以后擴(kuò)大業(yè)務(wù)。

　　各種用途需要的性能不同

　　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)汽車有混合動(dòng)力車（HEV）、插電式混合動(dòng)力車（PHEV）及純電動(dòng)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(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)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(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HEV＜PHEV＜EV，而對(duì)電池輸出功率的要求為HEV＞PHEV＞EV。不過(guò)，電動(dòng)汽車與便攜終端相比，要求電池具有更長(zhǎng)的壽命及更高的安全性。

　　定置用途也一樣。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（Peak Shift）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)抑制安裝量不斷增加的大規(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（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(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)增加。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。

　　關(guān)于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)（表1）。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?！　?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" height=224 alt=電池及電容器的特點(diǎn) src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20140213/231300_1_3.jpg" width=600>

　　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)產(chǎn)生的靜電容量，而負(fù)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(yīng)而產(chǎn)生的蓄電效應(yīng) 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(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、JM Energy及新神戶電機(jī)等企業(yè)均已開(kāi)始投產(chǎn)鋰離子電容器。2011年10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) 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(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)法增加銷量。

　　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6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)主要用于實(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)（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(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