“用钠做电池,根本行不通”,尽管材料的性质与锂相似,但材料化学专家之间依然存在这种认识。然而,日本的研究人员颠覆了这一固有观念。2009年,随着材料开发的进步,钠离子电池的开发稳步推进。
东京理科大学教授驹场慎一(当时为副教授)的研究小组,通过在负极使用碳系材料,在世界上首先成功实现了钠离子电池的重复充放电。打破过去10次左右的充放电极限,开发出了可以重复使用几百次的电池,为实用化开辟了道路。以这项研究为契机,全球掀起了研究钠离子电池的竞争。论文数量在2009年之后快速增加。“全球发表的论文数量估计是以前的几百倍”(驹场教授)。
钠离子电池有三大优点:
一是原料成本低。不仅不使用锂、钴等稀有金属,而且通电的基板可以使用铝,而不是铜。因为不使用高价材料,所以“与锂电池相比,成本至少可以减少1成,顺利的话可以减少3成”(驹场教授)。
二是可以沿用现有的生产工序。钠离子电池的工作机制与锂离子电池相同,电池企业的现有生产设备可以直接用来生产钠离子电池。因为基本不需要设备投资,所以各家企业容易将其作为替代电池开展生产。
三是可以快速充放电。驹场教授说:“在原理上,钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5。”只要实现了快速充电,自然就能缩短EV的充电时间。
东京大学研究生院教授山田淳夫等人的研究小组发现,钛和碳制成的片状化合物会吸附、释放大量的钠离子。以这种化合物为电极试制的电池,即使反复进行快速充放电,性能也不会劣化。山田教授预测:“钠不会马上取代锂,而是会在适合其特性的用途,作为锂的一种替代品,逐渐得到采用。”
为了使具备上述优点的电池实现商用化,很多家民营企业正在进行开发。例如,住友电气工业在2013年开发出了即使电池内部温度较低也能工作的钠离子电池。因为无需散热空间,所以体积成功缩小到了锂电池以下。目标是应用于住宅用蓄电池和纯电动汽车。
丰田虽然没有公布消息,但估计也在一直在为HEV和PHEV开发钠离子电池,作为镍氢电池和锂电池的替代品。在2015年5月召开的日本电气化学会的电池技术委员会上,该公司的电池研究部宣布,为钠离子电池的正极开发出了新材料。
三菱化学一直在与东京理科大学的驹场教授开展合作研究。“具体名称不能透露,包括海外企业在内,共有4、5家企业正在参与合作研究”(驹场教授)。
钠离子电池虽然是企业竞相开发的热门,但也存在课题:电池中储存的能量比锂电池少。因为钠比锂重,所以同样重量的电池,锂电池的容量更大。
经过近些年的开发竞争,钠离子电池的储能量达到锂的90%,已经可与之并肩。不过,驹场教授说:“如果没有新的突破,实用化很难。不过我认为是可以实现的。”这样说的原因是,钠离子电池的正极和负极可使用的材料种类繁多。
铁、锰、镍、碳,等等,不仅可使用的材料多,而且,通过以不同的配比,或在不同温度下进行混合,电池的性能会发生改变。锂电池的材料经过了30年的优化,而钠电池掀起研究竞争才不过5年左右,自然隐藏着巨大的可能性。
从铅电池、镍氢电池到锂电池,电池产业一直被视作日本的看家本领。但近年,在韩国等地的企业的冲击下,日本厂商的份额正渐渐流失。钠离子电池作为新一代电池赢得了关注。为了不使用稀有金属,在国家战略的层面上实现危机管理,也为了让日本的电池产业重返世界巅峰,钠离子电池的商用化进程正在加快脚步。