近日，有著“后鋰電池”之稱的鈉離子電池最近成為科技界關(guān)注的焦點。據(jù)悉，這種電池不使用稀有金屬，只使用普通的材料。而曾被視作看家本領(lǐng)的日本電池產(chǎn)業(yè)能否借此技術(shù)重振雄風(fēng)？
鈉離子電池有三大優(yōu)點。
2010年，釣魚島海域發(fā)生中日撞船事件后，中國開始從實質(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”。
中國這個世界最大的稀土生產(chǎn)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7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，全世界的企業(yè)都遭受了沉重打擊。
危機尚未結(jié)束
之后，隨著回收再利用技術(shù)和不依賴稀土的產(chǎn)品開發(fā)的進步，中國的稀土價格逐漸回落。2014年，世界貿(mào)易組織（WTO）認定中國實施的出口限制違規(guī)。2015年1月，中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，主要應(yīng)用于電池。開發(fā)鋰電池的目的，是為了滿足手機和筆記本電腦對于高容量、小型電池的迫切需求。1991年，索尼在全球率先實現(xiàn)了鋰電池的商品化，橫掃了整個市場。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(yù)測，到2018年，全球鋰電池市場將擴大到2萬億日元的規(guī)模。
日本的鋰全部依靠從南美等地進口。隨著市場擴大，確保未來資源供應(yīng)和成本問題逐漸顯現(xiàn)。而且，鋰電池除了鋰之外，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)生產(chǎn)1輛純電動汽車（EV），大約要使用20kg的鋰和大約40kg的鈷。即便把全球的產(chǎn)量都供應(yīng)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，如果大型蓄電池的需求增加，資源枯竭和價格暴漲不可避免。
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)擺脫稀有元素依賴的技術(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)與鋰相似。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)與鋰相似，但材料化學(xué)專家之間依然存在這種認識。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，離子需要順暢地進入正極與負極的材料之間。鈉離子的體積大約是鋰離子的兩倍，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(xué)教授駒場慎一（當(dāng)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(fù)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(fù)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年之后快速增加。“全球發(fā)表的論文數(shù)量估計是以前的幾百倍”。
鈉離子電池有三大優(yōu)點。
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)有的生產(chǎn)工序。鈉離子電池的工作機制與鋰離子電池相同，電池企業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備可以直接用來生產(chǎn)鈉離子電池。因為基本不需要設(shè)備投資，所以各家企業(yè)容易將其作為替代電池開展生產(chǎn)。
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(xué)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(fù)進行快速充放電，性能也不會劣化。山田教授預(yù)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。”
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(xué)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(fù)進行快速充放電，性能也不會劣化。山田教授預(yù)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。”
企業(yè)在暗中持續(xù)開發(fā)
為了使具備上述優(yōu)點的電池實現(xiàn)商用化，很多家民營企業(yè)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電池以下。目標(biāo)是應(yīng)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，作為鎳氫電池和鋰電池的替代品。在2015年5月召開的日本電氣化學(xué)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(xué)一直在與東京理科大學(xué)的駒場教授開展合作研究。“具體名稱不能透露，包括海外企業(yè)在內(nèi)，共有4、5家企業(yè)正在參與合作研究”（駒場教授）。鈉離子電池雖然是企業(yè)競相開發(fā)的熱門，但也存在課題：電池中儲存的能量比鋰電池少。因為鈉比鋰重，所以同樣重量的電池，鋰電池的容量更大。
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：“如果沒有新的突破，實用化很難。不過我認為是可以實現(xiàn)的。”這樣說的原因是，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，在韓國等地的企業(yè)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。
01月07日 18:14
