二次电池的最新动向

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摘   要：本文将对以数年至数十年后的实用化为目标的新一代二次电池的概要以及即将实用化的二次电池的最新动向进行介绍，具体介绍日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）正在推广的新一代电池，以及正在投入实际使用的新型锂离子电池、京瓷的粘土型电池和APB的全树脂电池。

关键字：二次电池、锂离子电池、新一代蓄电池、可再生能源、电动汽车、储能系统

1 前言

可充放电的二次电池种类已从铅蓄电池、镍镉电池扩展到镍氢电池、锂离子电池（LIB），且可存储的能量有所提高。由此，电池已从仅可使用一次的干电池等一次电池发展至通过充电可反复使用的二次电池，加快了许多便携式电子装置的实用化，使我们的生活更加便利。

目前，作为应对气候变化的措施之一，正在迅速开发和普及电动汽车（EV），以通过电动化来降低和削减汽车行驶中的CO₂排放量。但是，配备有蓄电池的电池电动汽车（BEV）仍然很昂贵，且充电一次的续航距离不及汽油车，因此尚未得到普及。针对于此，研究人员提出了低价且能量密度高的新一代蓄电池的候选方案，并通过国家工程（国家项目）等正在世界范围内进行开发。

此外，提供给电动汽车的电能必须为清洁能源。太阳能发电和风力发电是有望将CO₂排放量尽可能降至零的可再生能源，但是易受天气影响，发电量不稳定。而蓄电池有望有效利用以上可再生能源。此外，由于近年来因自然灾害等导致停电的情况多发，因此急需一种能够在停电的情况下继续稳定提供电力的固定式蓄电池系统。

本文将对以数年至数十年后的实用化为目标的新一代二次电池的概要以及即将实用化的二次电池的最新动向进行介绍。具体介绍日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）正在推广的新一代电池，以及正在投入实际使用的新型锂离子电池、京瓷的粘土型电池和APB的全树脂电池。另外，本文中将二次电池和蓄电池用作同义词。

2 日本二次电池国家项目的措施

目前，在日本，各组织在经济产业省和文部科学省的领导下展开合作，积极进行各种新一代电池的开发项目（图1）^1）。主要的新一代电池及其开发项目如下。

注1：在《NEDO二次电池技术开发路线图2013》（2013年8月30日发布）上刊登的图中，绘制NEDO·JST项目中正在研发的蓄电池性能（容量密度、工作电压）

注2：以上为根据电极活性物质的理论容量密度和标准电极电位计算得到的理论性能，并不是蓄电池所获得的实际性能。但是，带有*的标记表示绘制了基于实测的容量密度和工作电压。

图1 日本国家项目中开发的新一代蓄电池

各项目的概要如下：

●NEDO/RISING2

计划在2020年度末之前实现实际电池中的能量密度为500Wh/kg。同时，解决车载用蓄电池在耐久性和安全性方面的课题。目标是在2030年实现实用化。

●NEDO/SOLiD-EV

开发通用基础技术，以将全固态LIB作为EV搭载电池，并在2025年左右实现量产。

●JST/ALCA-SPRING

针对性能优于现有锂离子电池的创新型蓄电池进行基础研究。除了全固态电池和锂·硫电池以外，不拘泥于传统观念，致力于开发新型电池。

●文部科学省/元素战略

通过与计算科学合作并最大限度地提高通用元件功能，实现优于锂离子电池的性能。正在实施高浓度电解液技术的大规模上市、钠离子电池的企业移交、以及水系高电压电池的专利网构建。

下文将对以上项目中的SOLiD-EV和RISING2进行说明。

图2示出Project 1（结合车载用蓄电池变化的设想，开发全固态LIB）和Project 2（开发创新型蓄电池）这两个蓄电池项目^6）。

图2 车载用蓄电池的变化与2个NEDO蓄电池项目

在Project 1中，SOLiD-EV是一种以硫化物固体电解质为中心、构成材料均为固体的全固态LIB，目标是在2020年实现实用化，2025年左右实现量产。

全固态LIB的电解质为无机固体电解质，因此具有“阻燃性”、“热稳定性”、“化学稳定性”、“单锂离子传导”的优势，并有望实现安全性、耐久性、高能量密度和高功率。但是，全固态LIB仍然存在很多待解决的课题，首先是能够投入实际使用的电池结构的实现，即能否发挥与现有LIB同等的性能，然后是能否通过电解质的“阻燃性”提高电池的安全性，以及是否能够发现并充分利用由于固体电解质而可以实现高能量密度的电极材料。相关研究人员正在关于这些课题进行确认与研究。

在Project 2中，RISING2是一个以创新型蓄电池（新一代LIB）为对象的项目，目标是能量密度500Wh/kg以上的的创新型蓄电池。目前，正在开发纳米界面控制电池（卤化物）、锌空气电池、纳米界面控制电池（转换）和金属硫化物电池作为候选。

然而，为实现各期望特性，仍存在很多课题。例如，离子导电性、电池反应的可逆性（循环特性）、充电和放电的能量效率、充放电速率、温度特性等。不过，为了解决这些课题，正在进行新材料的探索、反应机理的阐明以及各种特性的优化。这些内容和成果已详细记述在各文献^6,7）中，而且，还在第60届电池研讨会（2019年11月）^8）的“国家项目联合会议”等会议中进行了许多发表。

3即将上市的新型锂离子电池

最近，京瓷和APB还发表了一种新型LIB，除了能量密度外，还具有其他特征。该新型LIB与现有LIB的共同点是都是首先形成混有电解液的电极，并且电极较厚。与现有LIB相比，新型LIB的制造工序和制造设备都较少，因此可以降低成本。

3.1 京瓷的粘土型电池

京瓷于2019年10月宣布了住宅储能系统“Enerezza”的商业化^9-12）。而且，该储能系统已于2020年1月开始限量销售。

该储能系统上搭载的是京瓷称为“粘土型锂离子电池”的蓄电池。关于该电池，由京瓷出资的美国24M Technologies（以下，简称“24M”）¹³负责基础电池设计，并以京瓷为中心开发了量产化技术。电极呈粘土状，因此京瓷称之为“粘土型电池”，而24M称之为“半固态锂离子电池”。

该电池的特点是不使用粘合剂，而是首先制作混有电解液的粘土状厚电极。然后，将电极与隔膜一起用外包装膜包住，构成“单元电池”这样的最小单位电池，再将多个单元电池重叠后，用层压材料密封，由此成为蓄电池模块的构成单位“电池堆”。5kWh的Enerezza中集成有48个电池堆，因此每个电池堆的容量约为105Wh，如果电池的额定电压为3.2V，则容量约为33Ah。

粘土型锂离子电池通过各种技术实现了以下3点：

1）高安全性

· 不使用液态电解液的粘土型电极

· 厚涂的正极·负极材料和隔膜

· 由外包装膜构成的单元电池结构

· 采用高热稳定性的正极活性物质——磷酸铁锂（LiFePO₄，Lithium iron phosphate；LFP）

2）长寿命

· 不使用粘合剂的粘土型电极

· 通过选择电解液，在较宽温度范围内提高寿命特性（工作温度-20～40℃）

· 专门用于住宅的电池设计和控制（通过最佳设计控制，将储能系统的寿命从10年延长至15年）

3）低成本

· 部件方面：可以制作300～400μm的厚电极，减少集电箔或隔膜的数量和使用量，且不使用粘合剂，因此可削减约30%的部件成本（图3）

· 制造方面：减少工序数和处理数量，提高处理效率，降低设备投资，削减成本

此外，京瓷正在开发一种将现在的隔膜更换为固体电解质的新一代粘土型蓄电池。如果可以将隔膜更换为固体电解质，则能够以该电解质为界，将电池中的正极和负极分至不同的腔室。在各个腔室里，通过优化电解液和电极的“双电解液系统”，可以提高能量密度和使用寿命。此外，24M正在研究该电池中的Si负极和Li掺杂方法^14）。

目前，粘土型蓄电池的自身性能等尚未公开，因此其实际性能尚不清楚，但已经安装在蓄电池系统上并开始销售，因此认为该电池的完成度应该已经达到了相当高的水平。今后，希望能够将该粘土型蓄电池开发为成本低、寿命长、且安全性高的蓄电池，并期待新一代改良型粘土型蓄电池的开发。

图3 粘土型锂离子电池的结构和部件使用率

3.2 APB的全树脂电池

APB于2018年作为新型LIB技术型初创企业成立，现在是三洋化成工业的子公司。APB取自All Polymer Battery的首字母，从事LIB的研发、制造、销售、咨询等业务，目前正在开发被称为“全树脂电池”的新型电池。APB表示，全树脂电池通过采用双极结构，并采用高分子树脂作为基础部件得以实现，其中，双极结构是电流垂直于集电体流动的结构，而且，该电池实现了高异常时可靠性、高能量密度，形状和尺寸的高灵活性，以及创新型生产工序等的性能和特征。

在全树脂电池的电极中，正极和负极都被聚合物覆盖，集电体也被树脂化，且电子和离子成流动状态。除了离子和电子的传导性外，该聚合物还具有粘结性、弹性、耐电压性等特性，并且呈薄且均匀的凝胶状^15）。此外，电极厚度比普通LIB厚数倍以上。

图4示出全树脂电池的单电池和将其多重堆叠而成的电池组（模块）^16）。单电池的构造为，正极和负极彼此相对，中间夹有一层隔膜，分别通过树脂制集电体向外部输出电力，单电池的端面通过框架绝缘。通过直接堆叠大面积的片状单电池，来建立串联的电池组。树脂制集电体通常比金属制集电体的电阻大，但在电池组内，可以将从电极接受的电子以最短距离传输到相邻单电池，因此电池组中的实际电阻并不大。而且，可以通过直接堆叠实现串联，因此与传统LIB电池组相比，可以减少部件数量。

图4 全树脂电池的单电池结构和模块化

全树脂电池的制造工序数比现有LIB少很多^17）。全树脂电池的制造过程如下：首先，涂覆多功能凝胶聚合物作为电极活性物质；然后，将其与电解质混合，涂覆在树脂集电箔上并压制；将所制备的两极部件和隔膜重叠并密封以制得单电池；堆叠所需数量的单电池，并通过与母线一起真空密封制成模块。目前，研究人员已经试制了4层6500mAh的电池模块^18），还提出了一种由40个电池层叠而成的、长500mm、宽400mm、高50mm的新开发模块^16）。

APB于2020年3月从7家公司筹集了总计约80亿日元(约5亿人民币)的资金^19），在福井县越前市新建了一个全树脂电池的量产工厂，并宣布预计于2021年后半年开始量产并上市^20、21）。目前，全树脂电池自身的具体性能尚未公开，但其有望作为成本低、寿命长、且安全性高的蓄电池被实用化。

4结论

本文介绍了作为日本国家项目而开发的新一代蓄电池，以及新投入实际使用的蓄电池。新一代电池的高性能备受期待，但在实现之前仍需要许多突破。另一方面，出现了从新的角度解决现有蓄电池课题的的新型蓄电池。今后，希望这些蓄电池的研发和实用化状况能够继续获得关注。

参考文献：

1）NEDO：https://www.nedo.go.jp/introducing/iinkai/ZZBF_100301.html，2018.8.10

2）京都大学：http://www.rising.saci.kyoto-u.ac.jp/，2020.5.7

3）LIBTEC：https://www.libtec.or.jp/consignment-business/2nd-term/，2020.5.7

4）科学技术振兴机构：https://www.jst.go.jp/alca/alca-spring/，2020.5.7

5）文部科学省项目“元素战略项目（研究据点型）”：https://elements-strategy.jp/，2020.5.7

6）NEDO：https://www.nedo.go.jp/LIBrary/ZZ_focus_69_index.html，2020.5.7

7）NEDO：https://www.nedo.go.jp/events/report/ZZHY_00005.html，2019.8.9

8）第60届电池研讨会：http://www.denchi60.org/index.html，2019.11.13

9）京瓷：https://www.kyocera.co.jp/news/2019/1002_chio.html，2019.10.2

10）Mynavi：https://news.mynavi.jp/article/20191002-903251/，2019.10.2

11）家电Watch：https://kaden.watch.impress.co.jp/docs/news/1210580.html，2019.10.3

12）MONOist：https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1910/03/news039.html，2019.10.3

13）24M Technologies：http://24-m.com/，2020.5.7

14）日经xTECH：https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/ne/18/00009/00007/，2019.12.19

15）三洋化成：https://www.sanyo-chemical.co.jp/magazine/archives/1822，2019.11.8

16）大林组：https://www.obayashi.co.jp/news/detail/news20200304_1.html，2020.3.4

17）日经xTECH：https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/07212/，2020.3.4

18）产经新闻：https://www.sankei.com/photo/story/news/200304/sty2003040012-n1.html，2020.3.4

19）APB：https://apb.co.jp/asset/pdf/newsroom_5.pdf，2020.3.4

20）三洋化成：

https://www.sanyo-chemical.co.jp/wp/wp-content/uploads/2020/03/k20200302.pdf，2020.3.2

21）日经xTECH：https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/07212/，2020.3.4

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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