鉅大LARGE | 點擊量：1079次 | 2021年08月08日
將來鈉離子電池將不再使用稀有金屬
2010年，海域發(fā)生中日撞船事件后，我國開始從實質(zhì)上限制稀土出口。稀土是混合動力車用電動機和有機EL顯示器等高科技產(chǎn)業(yè)必不可少的資源，也被稱作產(chǎn)業(yè)的維生素。我國這個世界最大的稀土加工國開始限制出口，采購危機隨之出現(xiàn)，稀土價格飆升。磁鐵使用的釹和鏑的價格在2011年七月達到頂峰，是2007年的30倍以上(瑞穗實業(yè)銀行產(chǎn)業(yè)調(diào)查部的調(diào)查結(jié)果)。不僅是日本，全世界的公司都遭受了沉重打擊。
之后，隨著回收再利用技術(shù)和不依靠稀土的產(chǎn)品開發(fā)的進步，我國的稀土價格逐漸回落。2014年，世界貿(mào)易組織(WTO)認定我國執(zhí)行的出口限制違規(guī)。2015年一月，我國政府做出了撤消出口限制的決定。
但稀土等稀有元素的危機并未就此結(jié)束。稀土只是31種稀有金屬中的一部分，其他元素也完全有可能遇到出口限制之類的問題。
鋰也是一種常用的稀有金屬，緊要使用于電池。開發(fā)鋰離子電池的目的，是為了滿足手機和筆記本電腦有關(guān)高容量、小型電池的急切需求。1991年，索尼在全球率先實現(xiàn)了鋰離子電池的商品化，掃蕩了整個市場。不僅是移動設(shè)備，還得到了固定式電池和車載電池等廣泛用途的采用。富士經(jīng)濟預測，到2018年，全球鋰離子電池市場將張大到2萬億日元的規(guī)模。
日本的鋰全部依賴從南美等地進口。隨著市場張大，確保將來資源供響應成本問題逐漸顯現(xiàn)。
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-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%
而且，鋰離子電池除了鋰之外，還使用另一種稀有金屬鈷。NTT設(shè)施綜合研究所的調(diào)查顯示，利用現(xiàn)行技術(shù)加工1輛純電動汽車(EV)，約莫要使用20kg的鋰和約莫40kg的鈷。即便把全球的產(chǎn)量都供應給EV，每年產(chǎn)出的鋰只夠700萬輛車使用，而鈷僅夠100萬輛車使用。隨著再生能源的普及，倘若大型蓄電池的需求新增，資源枯竭和價格暴漲不可戒備。
面對這種情況，政府不能袖手旁觀。作為國家的危機管理措施，開發(fā)擺脫稀有元素依靠的技術(shù)從2008年開始，日本啟動了名為元素戰(zhàn)略項目的全國性研究項目。后鋰離子電池的開發(fā)也是項目之一。
該項目提出用鈉來替代鋰。在元素周期表上，鈉就在鋰的下方，性質(zhì)與鋰相近。鈉最大的好處是在海水等資源中含量豐富，是取之不盡的元素。
不過，鈉離子電池的開發(fā)卻長期不受關(guān)注。用鈉做電池，根本行不通，盡管材料的性質(zhì)與鋰相近，但材料化學專家之間仍舊存在這種認識。離子電池是利用離子在正極與負極之間的移動進行充放電的。在這個過程中，離子要順暢地進入正極與負極的材料之間。鈉離子的體積約莫是鋰離子的兩倍，很難進入電極材料，按照一般觀點，鈉離子無法在實用中實現(xiàn)充放電。因此，直到1990年代，研究人員都幾乎忽視了鈉離子電池。
然而，日本的研究人員顛覆了這一固有觀念。2009年，隨著材料開發(fā)的進步，鈉離子電池的開發(fā)穩(wěn)步推進。東京理科大學教授駒場慎一(當時為副教授)的研究小組，通過在負極使用碳系材料，在世界上首先成功實現(xiàn)了鈉離子電池的重復充放電。打破過去10次左右的充放電極限，開發(fā)出了可以重復使用幾百次的電池，為實用化開辟了道路。
以這項研究為契機，全球掀起了研究鈉離子電池的競爭。論文數(shù)量在2009年之后快速新增。全球發(fā)表的論文數(shù)量估計是往日的幾百倍(駒場教授)。
鈉離子電池有三大優(yōu)勢
一是原料成本低。不僅不使用鋰、鈷等稀有金屬，而且通電的基板可以使用鋁，而不是銅。因為不使用高價材料，所以與鋰離子電池相比，成本至少可以減少1成，順利的話可以減少3成(駒場教授)。
二是可以沿用現(xiàn)有的加工工序。鈉離子電池的工作機制與鋰離子電池相同，電池公司的現(xiàn)有加工設(shè)備可以筆直用來加工鈉離子電池。因為基本不要設(shè)備投資，所以各家公司容易將其作為替代電池開展加工。
三是可以快速充放電。駒場教授說：在原理上，鈉離子電池的充電時間可以縮短到鋰離子電池的1/5。只要實現(xiàn)了快速充電，自然就能縮短EV的充電時間。東京大學研究生院教授山田淳夫等人的研究小組發(fā)現(xiàn)，鈦和碳制成的片狀化合物會吸附、釋放大量的鈉離子。以這種化合物為電極試制的電池，即使反復進行快速充放電，性能也不會劣化。山田教授預測：鈉不會馬上取代鋰，而是會在適合其特性的用途，作為鋰的一種替代品，逐漸得到采用。
為了使具備上述優(yōu)勢的電池實現(xiàn)商用化，很多家民營公司正在進行開發(fā)。例如，住友電氣工業(yè)在2013年開發(fā)出了即使電池內(nèi)部溫度較低也能工作的鈉離子電池。因為無需散熱空間，所以體積成功縮小到了鋰離子電池以下。目標是使用于住宅用蓄電池和純電動汽車。
豐田雖然沒有公布消息，但估計也在一直在為HEV和pHEV開發(fā)鈉離子電池，作為鎳氫電池和鋰離子電池的替代品。在2015年五月召開的日本電氣化學會的電池技術(shù)委員會上，該公司的電池研究部宣布，為鈉離子電池的正極開發(fā)出了新材料。
三菱化學一直在與東京理科大學的駒場教授開展合作研究。詳盡名稱不能透露，包括海外公司在內(nèi)，共有4、5家公司正在參與合作研究(駒場教授)。
鈉離子電池雖然是公司競相開發(fā)的熱門，但也存在課題：電池中儲存的能量比鋰離子電池少。因為鈉比鋰重，所以同樣重量的電池，鋰離子電池的容量更大。
經(jīng)過近些年的開發(fā)競爭，鈉離子電池的儲能量達到鋰的90%，已經(jīng)可與之并肩。不過，駒場教授說：倘若沒有新的沖破，實用化很難。不過我認為是可以實現(xiàn)的。這樣說的原由是，鈉離子電池的正極和負極可使用的材料種類繁多。
鐵、錳、鎳、碳，等等，不僅可使用的材料多，而且，通過以不同的配比，或在不同溫度下進行混合，電池的性能會發(fā)生改變。鋰離子電池的材料經(jīng)過了30年的優(yōu)化，而鈉電池掀起研究競爭才不過5年左右，自然隱藏著巨大的可能性。
從鉛電池、鎳氫電池到鋰離子電池，電池產(chǎn)業(yè)一直被視作日本的看家本領(lǐng)。但近年，在韓國等地的公司的沖擊下，日本廠商的份額正漸漸流失。鈉離子電池作為新一代電池贏得了關(guān)注。為了不使用稀有金屬，在國家戰(zhàn)略的層面上實現(xiàn)危機管理，也為了讓日本的電池產(chǎn)業(yè)重返世界巔峰，鈉離子電池的商用化進程正在加快腳步。
