憑借新材料 電動(dòng)汽車性能將超過(guò)汽油車

現(xiàn)行純電動(dòng)汽車的基本性能在很多地方還都趕不上汽油車。但是，包括能夠行駛更長(zhǎng)距離的充電電池和能夠大幅降低成本的燃料電池技術(shù)在內(nèi)，支撐新一代純電動(dòng)汽車的有力技術(shù)正在穩(wěn)步發(fā)展。

“2016財(cái)年之后還要等2～3年”——在“第43屆東京車展2013”上，日產(chǎn)汽車社長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官卡洛斯·戈恩（Carlos Ghosn）調(diào)整了純電動(dòng)汽車（EV）的普及計(jì)劃。而按照戈恩之前提出的目標(biāo)，日產(chǎn)汽車與法國(guó)雷諾相加，EV的銷量要在2016財(cái)年之前便達(dá)到150萬(wàn)輛。

談到目標(biāo)為何落空，戈恩認(rèn)為充電基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善是原因之一。但反言之，這也意味著現(xiàn)行EV的行駛距離達(dá)不到要求。也就是說(shuō)，要想在今后將EV打造成為具有魅力的產(chǎn)品，只有提高直接影響行駛距離的車載充電電池的容量一條路可走（圖1）。

圖1：純電動(dòng)汽車依靠材料革新克服課題

面對(duì)純電動(dòng)汽車存在的諸多課題，通過(guò)改進(jìn)材料，探索根本解決措施的動(dòng)態(tài)愈發(fā)活躍。無(wú)線供電通過(guò)結(jié)合自動(dòng)泊車技術(shù)提高便利性。

2015年要開(kāi)始投入量產(chǎn)的燃料電池車（FCV）面臨著成本與量產(chǎn)性的課題。最大的阻礙是燃料電池組使用的鉑（Pt）催化劑。如何減少鉑的使用量，或是實(shí)現(xiàn)“無(wú)鉑”將成為車輛開(kāi)發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

純電動(dòng)汽車的主要部件——驅(qū)動(dòng)馬達(dá)也存在資源風(fēng)險(xiǎn)。為了防止溫度上升時(shí)磁性減弱，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使用的釹-鐵-硼（Nd-Fe-B）類燒結(jié)磁鐵（釹磁鐵）添加有稀土鏑（Dy）。為了避免價(jià)格暴漲和資源風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展無(wú)鏑馬達(dá)的步伐也在加快?，F(xiàn)如今，逆變器對(duì)于提高效率、小型化的需求越來(lái)越大，低成本、低損耗的新一代功率半導(dǎo)體備受期待。

提升純電動(dòng)汽車便利性的開(kāi)發(fā)也在推進(jìn)之中。在無(wú)線傳輸電能的無(wú)線供電方面，關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化的討論正在如火如荼地進(jìn)行。日產(chǎn)汽車已經(jīng)公開(kāi)宣布“要在2014年內(nèi)投放配備無(wú)線供電功能的EV”（戈恩）。

充電電池：純電動(dòng)汽車和燃料電池車的核心部件，對(duì)于新材料的探索仍在繼續(xù)

EV的銷售增長(zhǎng)雖然不及預(yù)期，但毋庸置疑的是，在未來(lái)，隨著二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)化，EV必將成為重要的戰(zhàn)略車型。EV普及的一大關(guān)鍵，在于高能量密度的充電電池的開(kāi)發(fā)。

另一方面，企業(yè)要想滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求，除了發(fā)展EV之外，普及利用燃料電池替代發(fā)動(dòng)機(jī)的FCV也是一個(gè)方向。FCV也需要配備充電電池。根據(jù)充電電池性能的不同，燃料電池需要的輸出功率也大不相同。

在此背景下，全球的充電電池開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。開(kāi)發(fā)的主線是為鋰離子充電電池探索新的可用材料（圖2）。現(xiàn)行EV鋰離子充電電池一個(gè)單元的能量密度為60～140Wh/kg。小型EV充電1次只能行駛160公里左右。因此，EV首先需要將電池單元的能量密度提高到250Wh/kg左右，使1次充電的行駛距離達(dá)到約300公里。

圖2：純電動(dòng)汽車的普及必須依靠電池性能的飛躍

EV和PHEV使用的鋰離子充電電池的能量密度將力爭(zhēng)在2020年達(dá)到250Wh/kg，在2030年達(dá)到500Wh/kg，實(shí)現(xiàn)全面普及。

為了提高容量，硅（Si）類負(fù)極材料即將在車載領(lǐng)域投入實(shí)用。在理論上，硅能夠?qū)崿F(xiàn)的容量，約是當(dāng)前使用的石墨材料的10倍。但硅在充放電時(shí)的膨脹和收縮過(guò)大，壽命方面存在難點(diǎn)。

作為改善膨脹和收縮問(wèn)題，同時(shí)提高容量的材料，一氧化硅（SiO）等硅類氧化物成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。例如，大阪鈦業(yè)科技推出了具備非晶構(gòu)造的一氧化硅。該公司制造的一氧化硅的負(fù)極容量為1700～1800mAh/g，大約是石墨的5倍。

積水化學(xué)工業(yè)也證實(shí)，通過(guò)利用自主開(kāi)發(fā)的硅類氧化物，能夠?qū)崿F(xiàn)340Wh/kg左右的能量密度。其特點(diǎn)是使用離子導(dǎo)電度與電解液相當(dāng)?shù)哪z電解質(zhì)，無(wú)需注入電解液，只需一道涂布工序即可完成整個(gè)單元的制造。

積水化學(xué)工業(yè)將從2014年夏季開(kāi)始供應(yīng)樣品，在2015年首先面向消費(fèi)類用途實(shí)現(xiàn)商品化。而車載用途需要材料認(rèn)證、適用審查等繁瑣的步驟，商品化最早也要等到2018年前后。

力爭(zhēng)達(dá)到500Wh/kg

還有看法認(rèn)為，EV要想趕上當(dāng)前的汽油車，使行駛距離達(dá)到500公里以上，才能真正進(jìn)入EV時(shí)代，此時(shí)電池單元的能量密度要提高到500Wh/kg以上。這就需要采用新的電池構(gòu)造。比方說(shuō)爭(zhēng)取使用金屬鋰（Li）和硫（S）等大容量電極材料，但傳統(tǒng)的電解液存在的課題眾多，因此，使用固體電解質(zhì)的全固體電池成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

在基礎(chǔ)研究中，與只有1個(gè)電子活動(dòng)的1價(jià)鋰離子相比，使用擁有2個(gè)電子的鎂（Mg）、鋁（Al）、鈣（Ca）的多價(jià)陽(yáng)離子電池更加活躍。除此之外，這些金屬材料的儲(chǔ)量豐富。不同于鋰電池，可以使用鐵類正極材料的鈉離子充電電池的研發(fā)也熱氣騰騰。

燃料電池：不脫鉑就無(wú)法普及，著眼于穩(wěn)定性好的氧化物催化劑

“填充3分鐘的氫氣可以行駛500公里以上。實(shí)現(xiàn)了與汽油車相同的易用性”——在豐田負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)FCV的田中義和（該公司產(chǎn)品策劃本部ZF主查）自豪地說(shuō)。在他的面前，是該公司在“第43屆東京車展2013”上全球首發(fā)的概念車“TOYOTA FCV CONCEPT”。

但這款車與汽油車相比，存在著一個(gè)決定性的差異。那就是價(jià)格。大部分觀點(diǎn)都認(rèn)為，豐田2015年推出的車輛售價(jià)屆時(shí)將“超過(guò)500萬(wàn)日元”。

成本高的原因之一是燃料電池組使用的鉑催化劑。到2015年，1輛FCV估計(jì)將使用50～100g鉑。到FCV正式進(jìn)入普及期的“2025年前后”（本田高管），汽車企業(yè)必須大幅減少鉑的使用量。

不只是成本，從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，也需要減少鉑的使用量。因?yàn)殂K的儲(chǔ)量9成在南非（圖3），而南非礦石的鉑含量正在逐年遞減。

圖3：鉑儲(chǔ)量集中在南非

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，鉑的年供應(yīng)量約7成來(lái)自南非。全球儲(chǔ)量的9成位于南非。

在降低燃料電池組鉑使用量的研究中，與其他金屬制成合金提高鉑催化劑的活性、使用鉑包覆貴金屬和賤金屬的“核殼催化劑”的開(kāi)發(fā)進(jìn)展顯著。但要想從根本上解決問(wèn)題，“只有‘脫鉑’一條路可走”（橫濱國(guó)立大學(xué)研究生院工學(xué)研究院綠氫研究中心主任太田健一郎）。

FCV配備的PEFC（固體高分子形燃料電池）要在低于100℃的低溫下工作，反應(yīng)速度很慢。因此，必須使用鉑催化劑，促進(jìn)空氣電極的氧化還原反應(yīng)（ORR：oxygen reduction reaction）。過(guò)去的研究一直把思路放在尋找ORR活性大的材料上面。

但太田的研究小組轉(zhuǎn)換方針，開(kāi)始尋找化學(xué)穩(wěn)定性高的材料。經(jīng)過(guò)不懈地探索，他們發(fā)現(xiàn)，第四和第五周期的過(guò)渡金屬氧化物穩(wěn)定性高（圖4）。氮氧化鉭（TaON）和氮氧化鋯（ZrON）在酸性電解液中的溶解度不到鉑的10分之1，而且，在長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，ORR活性也沒(méi)有改變。

圖4：放眼穩(wěn)定性尋找材料

日本橫濱國(guó)立大學(xué)的太田等人把目光投向了穩(wěn)定性超過(guò)鉑的材料（a）。候選材料的儲(chǔ)量均大于鉑（b）。制作的氧化物類催化劑的電流密度在4年間提高到了原來(lái)的1000倍（c）。

最新成果顯示，鋯氧化物類催化劑（Zr-CNO（Pc））具有高ORR活性（圖4（c））。這種催化劑以ZrOPc為起始原料，使用多層碳納米管（MWCNT），同時(shí)滿足了導(dǎo)電體和載體的作用。

目前的電流密度“約為鉑的1/10～1/50左右”（太田）。但是，“目前有不少方法可以提高鋯和鉭等氧化物類催化劑的ORR活性”（太田）。該研究小組將力爭(zhēng)從2017年開(kāi)始提供樣品，在2025年前后將其應(yīng)用于FCV。

大發(fā)開(kāi)發(fā)液體燃料

在普遍認(rèn)為PEFC將會(huì)成為FCV燃料電池的主流的情況下，大發(fā)工業(yè)則提出了不同的觀點(diǎn)。該公司認(rèn)為，“考慮到易用性，液體燃料才是最佳選擇”。在2013年的東京車展上，展出了概念車“FC 凸 DECK”（圖5）。這輛汽車通過(guò)更換燃料瓶的方式補(bǔ)充液體燃料。設(shè)想使用的燃料是水合肼和二氨基脲。

圖5：改進(jìn)液體燃料

大發(fā)工業(yè)的FCV概念車“FC 凸 DECK”在“第43屆東京車展2013”上首度展露真容。使用無(wú)需貴金屬的液體燃料是最大的特點(diǎn)。

與水合肼相比，二氨基脲沒(méi)有毒性，更易于儲(chǔ)存和使用。但輸出功率較低，因此，目前的開(kāi)發(fā)是2種燃料并行。因?yàn)殡娊赓|(zhì)膜使用的是陰離子交換膜，所以催化劑可以采用鎳類和鐵類。

馬達(dá)：無(wú)鏑一舉解決資源問(wèn)題和高性能化

與燃料電池相同，馬達(dá)也背負(fù)著資源風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)樽笥荫R達(dá)性能的磁鐵大量使用稀土。面向純電動(dòng)汽車的馬達(dá)必不可少的釹磁鐵含有重量比約為8％的稀土鏑（Dy）。

釹磁鐵使用鏑是為了在170～200℃的高溫下維持較高的矯頑力。但鏑不僅產(chǎn)量主要集中在中國(guó)，而且會(huì)對(duì)磁鐵的性能產(chǎn)生影響。日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）研究員磁性材料組組長(zhǎng)寶野和博說(shuō)：“使用鏑的話，會(huì)使磁鐵能夠?qū)ν庾龉Φ淖畲笾?，也就是最大能量密度大幅降低?！币虼耍绻軌蛑圃斐觥盁o(wú)鏑”的釹磁鐵，資源和性能兩大課題即可迎刃而解。

無(wú)鏑釹磁鐵的開(kāi)發(fā)日趨活躍，昭和電工已于2013年11月底面向FA投入量產(chǎn)。其性能與添加了4％的鏑的釹磁鐵不相上下。

釹磁鐵的矯頑力隨晶體粒徑的微細(xì)化增加（圖6）。寶野等人與豐田合作，正在著手開(kāi)發(fā)晶體粒徑不到1μm的釹磁鐵。現(xiàn)在，晶體粒徑為0.2μ～0.3μm的試制品的矯頑力達(dá)到了約2T?！胺霞冸妱?dòng)汽車需要的2.5～3T的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入了視野”（寶野）。在這項(xiàng)研究中，縮小晶體粒徑采用了熱加工處理的方式。處理得到了大同電子的協(xié)助。

圖6：縮小晶體粒徑，不依靠鏑提高矯頑力

釹磁鐵具有晶體粒徑越小，越容易提高矯頑力的傾向。熱加工是使晶體粒徑小于1μm的有效方法。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的資料制作）

除此之外，馬達(dá)開(kāi)發(fā)還出現(xiàn)了開(kāi)創(chuàng)新構(gòu)造的動(dòng)向。芝浦工業(yè)大學(xué)工學(xué)部電氣電子學(xué)群電子工學(xué)科副教授赤津觀正在開(kāi)發(fā)利用GMR（giant magnetoresistance）元件替代線圈的馬達(dá)（圖7）。

圖7：利用GMR元件制造自旋電子馬達(dá)

芝浦工業(yè)大學(xué)的赤津提出了利用GMR元件制造自旋電子馬達(dá)的方案。目的是把定子更換為GMR元件，借此提高扭矩密度。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)芝浦工業(yè)大學(xué)的資料制作）

GMR元件可以利用電流控制磁化方向。使用GMR元件作為馬達(dá)的定子，使用永磁鐵作為轉(zhuǎn)子的“自旋電子馬達(dá)”已經(jīng)出現(xiàn)。

鐵心采用線圈的傳統(tǒng)定子會(huì)因?yàn)殂~線的銅損導(dǎo)致扭矩降低。而采用GMR元件可以消除銅損，從而實(shí)現(xiàn)高扭矩馬達(dá)。馬達(dá)目前尚處于工作驗(yàn)證階段，“首先將爭(zhēng)取在醫(yī)療器械等小型產(chǎn)品中投入實(shí)用”（赤津）。

逆變器：替代碳化硅的氧化鎵，力爭(zhēng)2020年供應(yīng)樣品

逆變器的作用是將大容量充電電池存儲(chǔ)的電能從直流轉(zhuǎn)變成交流，帶動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著充電電池和馬達(dá)的進(jìn)化，新一代逆變器的研發(fā)也在同步開(kāi)展。

逆變器小型化和高性能化的關(guān)鍵，掌握在功率半導(dǎo)體的手中。在純電動(dòng)汽車用途，新一代功率半導(dǎo)體碳化硅（SiC）公認(rèn)將成為主流。按照羅姆的推測(cè)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的逆變器“將從2016～2017年開(kāi)始配備”碳化硅。開(kāi)發(fā)碳化硅的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也在為2010年代后期投入實(shí)用而相互較勁。

“有一種材料蘊(yùn)含著超越碳化硅的潛力”——日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）的東脅正高（NICT未來(lái)ICT研究所綠色I(xiàn)CT器件尖端開(kāi)發(fā)中心主任）的研究組把目光對(duì)準(zhǔn)了氧化鎵（Ga2O3）。因?yàn)榕c碳化硅和氮化鎵（GaN）相比，氧化鎵能夠以低廉的成本，制造出耐壓高、損耗低的功率半導(dǎo)體。

氧化鎵有多種晶體結(jié)構(gòu)，β型最為穩(wěn)定。β型氧化鎵的帶隙高達(dá)4.8～4.9eV。相當(dāng)于硅的4倍以上，甚至比碳化硅的3.3eV、氮化鎵的3.4eV還要高（圖8）。而且，左右功率半導(dǎo)體性能的低損耗性的指標(biāo)“Baliga優(yōu)值指數(shù)”約是碳化硅的10倍、氮化鎵的4倍。

圖8：利用氧化鎵試制MOSFET

信息通信研究機(jī)構(gòu)等研究組正在開(kāi)發(fā)使用β型氧化鎵的新一代功率半導(dǎo)體（a）。并對(duì)使用該材料的耗盡型MOSFET的工作情況進(jìn)行了確認(rèn)（b）。

東脅等人已經(jīng)在2012年試制β型氧化鎵MESFET（metal semiconductorfield effect transistor），并對(duì)工作情況進(jìn)行了確認(rèn)。這次又使用該材料試制了耗盡型MOSFET。試制品的耐壓為370V，加載 4V的柵極電壓時(shí)，最大漏電流密度為39mA/mm。漏電流的開(kāi)關(guān)比在100℃下為107左右，在250℃的高溫下也保持住了104左右的水平。漏電流開(kāi)關(guān)比的實(shí)用水平為106～107上下。

NICT為了推動(dòng)氧化鎵的開(kāi)發(fā)，在2013年12月1日成立了“綠色I(xiàn)CT器件尖端開(kāi)發(fā)中心”。擔(dān)任主任的東脅意氣風(fēng)發(fā)地表示，“我們將從2020年開(kāi)始供應(yīng)氧化鎵功率半導(dǎo)體樣品，在2025年之前正式投入量產(chǎn)”。

無(wú)線供電：標(biāo)準(zhǔn)最快將于2014年內(nèi)出臺(tái)，頻率花落85kHz

面向純電動(dòng)汽車的無(wú)線供電朝著實(shí)用化前進(jìn)了一大步。2013年11月，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）宣布，純電動(dòng)汽車無(wú)線供電將使用85kHz頻帶（81.38k～90.00kHz）（圖9）。

圖9：開(kāi)始完善面向?qū)嵱没沫h(huán)境

在面向汽車的無(wú)線供電方面，使用85kHz頻帶的方案希望最大（a）。通過(guò)結(jié)合自動(dòng)泊車，可以解決送受電線圈錯(cuò)位的課題。照片是電裝的自動(dòng)泊車演示（b）。（圖：（a）為《日經(jīng)電子》根據(jù)早稻田大學(xué)的資料制作）

SAE預(yù)定在2014～2015年其間發(fā)布面向無(wú)線供電的標(biāo)準(zhǔn)“SAE J2954”。此次出臺(tái)的85kHz頻帶是日本和德國(guó)的汽車企業(yè)、美國(guó)高通公司等主張的頻帶。按照當(dāng)前方針，SAEJ2954將綜合最大輸出功率為3.7千瓦（一般家庭）、7.7千瓦（公共）、22千瓦（快速充電）、200千瓦（大型車）的4種標(biāo)準(zhǔn)。

在實(shí)際使用時(shí)，“應(yīng)該可以根據(jù)使用方式，選擇適合的輸出功率”（某無(wú)線供電業(yè)內(nèi)人士）。如果是晚上在家中用8小時(shí)緩慢充電，只需選擇3.7千瓦即可。如果是外出時(shí)需要快速充電，則可以選擇支持22千瓦的無(wú)線供電系統(tǒng)。

為了應(yīng)對(duì)這樣的動(dòng)向，高通等公司已經(jīng)面向多種輸出方式，準(zhǔn)備了同類系統(tǒng)。

一直以來(lái)的技術(shù)課題——供電線圈與受電線圈錯(cuò)位的問(wèn)題可以通過(guò)結(jié)合自動(dòng)泊車技術(shù)加以解決。改進(jìn)供電和受電線圈的構(gòu)造也是一種有效的辦法。名為螺線管的方形線圈在水平方向的錯(cuò)位容許量大。目前，住友電氣工業(yè)和Technova等正在開(kāi)發(fā)螺線管。

關(guān)于未來(lái)在行駛中實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電的探討也在進(jìn)行之中。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）正在開(kāi)發(fā)的“OLEV”一馬當(dāng)先。但行駛中供電的電力傳輸效率僅為65％左右。主要依靠的還是效率為80％的靜止無(wú)線供電。由此可見(jiàn)，在探討無(wú)線供電的時(shí)候，有必要考慮設(shè)置充電專用車道。