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日本在推进锂硫磺电池技术研究

来源:  日经中文网    时间:2020-04-09 12:34:46   关注:66   转发
提高“锂硫磺电池”耐久性和大型化的成果相继涌现。这种电池被期待成为超过锂电池的新一代电池。日本关西大学等国内外的研究团队开发出了增加充放电次数的技术。早稻田大学成功实现大型化,达到手掌大小。将利用重量轻且输出功率高这一特性,作为便携终端和无人机的电源,力争在本世纪20年代前半期实现实用化。

现有的锂电池广泛用于智能手机、纯电动汽车和可再生能源的蓄电等。不过,用于正极的钴等的材料价格昂贵。提高输出功率和容量的改良接近极限,更高性能的新一代电池的开发受到期待。

锂硫磺电池成为有力候选。正极使用硫磺,而负极使用锂金属和锂化合物。均为较轻的元素,电池也将变轻。同时硫磺价格低廉。

正极可存储锂电池的约10倍电量。如果用作蓄电池,显示单位重量储能的“能量密度”达到锂电池的4倍以上。由于重量轻且输出功率高这一特点,适合用作小型便携终端和无人机的电源、以及设在楼宇屋顶等处的固定式大型蓄电池。

锂硫磺电池仍处在研究阶段,尚未实用化。英国初创企业已向汽车厂商等启动了样品供货,但存在充放电的次数较少这一课题。
日本关西大学的石川正司教授将用于正极的硫磺放入炭材料的微小孔洞,抑制了充放电导致的硫磺溶解,减轻了容量的下降。试制品进行了50次充放电,容量也仅下降2成。今后的目标是提高至1000次左右,寿命达到实用化标准的5年以上。

海外也存在有潜力的成果。澳大利亚莫纳什大学的研究团队制造出了200次充放电后容量仍保持99%以上的锂硫磺电池。通过在正极材料硫磺颗粒之间形成缝隙降低了劣化。不过,这种电池的电解液较多,无法直接实用化。石川教授评价称,“课题很多,但充放电次数接近实用”。

锂硫磺电池还存在难以实现大型化这一课题。如果加大体积,在正极之中移动的锂离子的速度将变慢,无法获得充分性能。
早稻田大学力争实现锂硫磺电池的大型化(图片由逢坂哲弥教授提供)
早稻田大学力争实现锂硫磺电池的大型化(图片由逢坂哲弥教授提供)

早稻田大学的逢坂哲弥教授等人开发出均匀填充硫黄制作正极材料的技术,改善了大型化引起的电池老化。此前制作成硬币大小都很困难,此次将薄片状的电池叠加,成功试制出了手掌大小、重43克的电池。重量是相同输出功率锂电池的约4分之1。据称可以将薄片状的电池制成A4纸张的大小,结合用途改变张数和大小进行设计。

日本政府也对开发提供支援。在新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的协助下,汤浅(GS Yuasa Corporation)正在开展电动飞机的研究。据称,轻量、能量密度高的锂硫磺电池适合重量受到限制的飞机。力争2030年制作出实用级别。

日本的科学技术振兴机构(JST)计划新建新一代电池的开发中心,最早将于2020年10月开始选定具体的设置场所。将邀请诺贝尔化学奖获得者吉野彰担任顾问。

瑞穗情报综研预计,2030年前后将有替代锂电池的产品上市。逢坂教授认为,“2~3年后企业将推出用于无人机和可穿戴终端等的实用化电池”。

海外的研究也很活跃。近6成锂硫磺电池相关的论文在中国,其次是美国。日本仅占2.8%,排在第7。中国在国家重点研究开发计划中将新一代电池定位为重点领域。日本在锂电池的市场份额被夺走,在新一代电池领域也处于下风。

日本经济新闻(中文版:日经中文网)福井健人

新一代电池:性能大幅超过锂电池的蓄电池。例如应用于纯电动汽车时,如果想要实现与现有汽车相同的续航里程,电池性能需要达到锂电池的4倍以上。

最具代表性的是全固态电池。由于使用固态电解质而非易燃的有机溶剂,全固态电池不易燃,安全性能高。此外,使用蕴藏量丰富的钠的“钠离子电池”以及与空气中的氧发生化学反应的“空气电池”等研究也在推进。
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