新型全固体铝空气二次电池研发成功

固体电池、空气电池是二次电池领域重要的研究对象,日本富士色素公司融合两项技术开发出了全固体铝空气二次电池。

追溯电池发展历史,世界上最古老的“巴格达电池”距今已有2000多年历史。而现代干电池的原型开发于131年前,自此电池发生了急速进化。

巴格达电池

图片来自雅图日本

一次电池是最先被普及应用的电池,随后可充电反复使用的二次电池应运而生,与其相关的技术研发竞争也日渐激烈。最初的二次电池是镍镉电池,于1960年开始被广泛使用。但因镉是有害物质且容量小,1990年发展出镍氢电池。随后1991年锂离子电池开始量产并广泛应用于智能手机、个人电脑、电动汽车。如下图所示,现有的镍氢电池及锂离子电池具有不同的优缺点,在迎来量产30周年之际,出现了与之竞争的新型二次电池——固体电池和空气电池。

简单地说固体电池就是将迄今为止作为正极负极的电解液替换为固体电解质。而空气电池是在正极的活性物质中使用了空气中的氧。这两种新型二次电池具有利于小型化、安全性强及电容量高的特点。而富士色素公司将固体电池、空气电池相结合开发出了全固体铝空气二次电池。

硬币型全固体铝空气二次电池样品

目前各厂商正在研发的固体电池、空气电池的电极中大多使用锂。其主要原因在于与其他材料相比锂可实现高容量。但由于金属锂具有很大的不稳定性,可能导致起火或爆炸,且随着需求量的不断扩大,锂矿资源有可能在数十年内枯竭。

富士色素公司将视点转向了铝。理论上铝空气电池的电池容量约为目前锂离子电池(150 ~ 250Wh/kg)的30至50倍(8100wh /kg),虽不及锂空气电池的理论容量(1.14万Wh/kg),但从安全性高、资源丰富、价格低等方面考虑铝空气电池具有优势。

可循环使用的丰富铝资源

铝空气电池因其高容量的特点已在军队中得以使用,但在使用过程中发现因氧化铝、氢氧化铝的副产物沉淀会发生无法发电的问题。此次富士色素公司研发的全固体铝空气二次电池负极使用铝,正极空气极使用碳或钛类材料。电解质使用与离子液体类似的深共晶溶剂(DES: Deep Eutectic Solvent),且通过合成最适合的添加剂成功地实现了电解质的固体化。通过此次在全固体化上取得的成功,相对现有的铝空气电池更易于制造,且提高了电池长时间工作时的稳定性。

铝空气二次电池概念图

离子液体是指全部由离子组成的100℃以下的液体盐,也称第三液体。因其具有阻燃性高、优异的介电性和安全性等特点,多被用于电解液、抗静电剂等。此次全固体铝空气二次电池中使用的深共晶溶剂具有与离子液体非常相似的性质,且易于降低成本。

电池领域的主角争夺战从未停息,几十年后铝有望取代锂成为二次电池主角。

参考日本报道原文:https://emira-t.jp/topics/10331/

东京大学 可延长二次电池寿命的新电极材料

东京大学研究小组近日发现电池电极材料在充电过程中可进行自我修复,使用新电极材料可延长二次电池寿命。

二次电池通过离子从电极材料脱离储存电力。但在LiCoO2等通常使用的电极材料中,大量离子脱离后会形成空穴,使结构变得不稳定,导致电池性能大幅下降,最终电池寿命变短。

通过自我修复可长时间充放电示意图

出自:东京大学

本次研究小组使用Na2MO3(M=Ru)作为电极材料。使用这种材料进行充电时(Na离子的脱离),被称作层叠缺陷的结构紊乱逐渐消失,充满电后结构不会紊乱且可进行自我修复。

实验中在开始充电前首先通过X射线衍射对呈层状结构的Na2RuO3状态进行测定,结果可知该状态下变宽的衍射线层叠构造中存在很大的紊乱(层叠缺陷)。充电后衍射线逐渐变锐利,层叠紊乱自动消失。确认了即使长时间反复充放电也可进行自动修复,性能几乎不会劣化。

以往材料与自我修复材料对比示意图

出自:东京大学

X射线衍射线测定结果

出自:东京大学

这些新的现象与以往电极材料反映出的状况完全不同。研究组利用放射光X射线衍射进一步详细调查充电过程中的结构变化。研究结果显示,在自我修复现象中Na离子脱离后形成的空穴与结构中残存的Na离子之间产生的强库仑力发挥了很大作用。

参考日本报道原文:https://eetimes.jp/ee/articles/1905/21/news020.html

可3D打印的全树脂电池

LiB锂离子二次电池广泛应用于平板电脑、数码相机等便携设备及电动汽车。但根据日本产品评估机构NITE公布,日本2013年~2017年5年内LiB引发的事故共计582起,其中属产品故障原因的有368起占63%。

LiB电池起火

为什么LiB会出故障? 原因出在构造上。

LiB采用铜或铝这样的金属箔电极分别作正极和负极,两极间通过活性物质反应发生电子的释放和传递,从而生成电能。事故的原因是由于电极受到强烈冲击后出现了漏洞。于是,所有的电流都集中到一处,导致电池过热爆炸。

LiB在安全上存在隐患,但因其较高的性能而扩大了市场。日前,日本京都的化学品制造商三洋化成工业与东京的技术研发企业APB共同开发除了全树脂电池,提高了电池的安全性及容量。

安全性

将不耐冲击的金属箔改用树脂膜、电解液改为含有活性物质的凝胶状树脂,这样完成全部构造的树脂化。即使受到用钻头开孔这样的强烈冲击也能防止起火或爆炸。

高容量

使用树脂电极可大幅增加活性物质,与现有LiB相比相同大小的电池,容量可增加2倍。

小型化

现有LiB多个电池相连时布线复杂,全树脂型LiB可层叠串联,减少了接头部件的数量,有助于产品设计的小型化。

低成本

现有LiB有烘干活性物质工序,树脂化后可大幅削减制造工程成本。

通过灵活运用树脂的优点,使用3d打印技术就可以生产全树脂型LiB,相信这款电池今后将以全新的方式出现在人们的日常生活中。

参考日本报道原文:https://emira-t.jp/eq/7722/

日本GS 投资800亿日元发展车载锂离子电池

日本杰士GS公司近日发布新中期经营计划,在未来3年里将在车载锂离子电池的增产及研发上投资800亿日元,用以提高混合动力车(HV)等环保车型及引擎的核心竞争力。同时将全力开发全固态电池等新一代电池。目标到2022年3月销售额达4600亿日元、营业利润280亿日元。

在车载锂离子电池制造设备上投资的480亿日元,将主要用于支持2020年3月底在匈牙利开工的新工厂及与三菱商事共同出资成立的子公司Lithium Energy Japan的发展。在松下等公司纷纷投资驱动马达的大型电池的局势下,GS公司选择了投资HV及引擎领域。该公司总经理表示“这是面向未来市场必要的投资”。

FDK推出世界最高水平小型全固态电池

日本零部件厂商FDK公司近日发布了全固态电池新品,该全固态电池容量是现有同类电池的约3.5倍。可应用在IoT(物联网)设备及可穿戴终端设备等,未来还将扩大在家电领域的应用。

FDK开发的小型全固态电池

FDK公司此次开发的全固态电池为可充电二次电池,可像电子零件一样集成在机器上。不仅有助于将设备小型化,还可以减少更换电池的麻烦。它的特点是不使用液体电解质,安全性高且耐久性强。据悉此款电池可应对现有电池难以克服的严酷条件。

数据来源:FDK公司官网

FDK公司表示该电池是一款使用氧化物材料的表面安装式全固态电池,电池容量为500微安培,已达到世界最高水平。相同体积下该电池可储存的能量是现有同类电池的约2.5倍,加之形状符合电子零件规格,因此大大提高了产品兼容性。据悉该全固态电池将于5月中旬开始样品供货,2020年开始批量生产。

参考日本报道原文:https://www.nikkei.com/article/DGXMZO44568890Z00C19A5X20000/

欧洲结盟 投资60亿欧元发展EV电池技术

欧盟(EU)、德国、法国表示将投资60亿欧元开发电动汽车(EV)电池。在韩中日企业主宰的电池市场上,欧盟正在集结所有技术进行反击。

由欧盟德法联合召开的EV电池记者见面会

在巴黎举行的欧盟德法联合记者见面会上,法国经济和财务部长布鲁诺·勒梅尔表示:“欧洲不能依靠技术进口。(此项目)将载入欧洲产业发展史。”此项目中德国、法国政府等提供约12亿欧元补助金,相关企业投资约40亿欧元。企业包括有法国大型汽车制造商PSA集团、法国石油化工公司道达尔旗下的产业电池公司Saft等。与此同时意大利及比利时等国也表示出加入的热情。

根据计划,在法国将设立试验工厂于2020年开始投入生产。2022年至2023年将在德国和法国分别设立一处工厂来制造改良型液体电解质电池。同时计划在2025年至2026年生产出新一代全固态电池。

在EV电池领域,目前由日本松下、韩国LG化学及中国的宁德时代(CATL)等掌握着很高的市场占有率。据悉欧洲企业的市场占有率仅为3%。

虽然欧洲团结之势已成定局,但能否挽回产业发展被推迟的时间还是个未知数。也有企业对补助金额表示出不同的声音,世界最大的汽车零件企业德国博世(BOSCH)曾于今年1月表示虽然有政府的支持但尚未考虑自主生产。

欧盟欧洲委员会在2017年已决定在EV用电池方面与欧洲企业合作。德国和法国首先响应号召,制定了相关计划。

参考日本报道原文:http://uee.me/aVrLD

燃料电池车的普及或将带动铂金需求

工业贵金属钯金、铑金的国际价格持续大幅上涨,而铂金一直保持着较低的价格。虽然柴油车氧化催化剂需求行市看跌,但有跌停趋势,而左右中长期兴衰的关键则是氢能源市场。一旦燃料电池车(FCV)得以普及,铂金在贵金属市场有望重现辉煌。

銠金用于柴油车净化用催化剂,国际价格约为3000美元/盎司(1盎司≈28.35g),这一价格是三年前的4倍。而钯金国际价格约为1350美元/盎司,同比也增长了2.5倍。日本丸红经济研究所人员表示全球环保大环境是导致价格暴涨的重要因素。随着欧洲、中国、印度加强了对汽车尾气的管制,汽油车上銠金、钯金的使用量也随之降低。

另一方面,铂金国际价格约为890美元/盎司,5年间下降了2成。导致价格下降的原因主要是2015年德国大众汽车尾气排放作弊事件对使用铂催化剂的柴油车有不小的负面影响。铂金曾是贵金属价格之王,如今价格低于黄金、钯金。

铂金价格持续下跌,今年行市有跌停的可能。主要原因在于铂金生产国南非的供应量有可能会减少,且观望到行市跌停的投资者们大量买进增加了铂金ETF(交易所交易基金)持有量。

氢能市场作为铂金需求的救世主备受关注。天然气是制氢原料,分离氢所需的催化剂需要使用大量铂金。据富士经济报告,2017年时氢能市场规模仅为约5亿日元,2030年市场规模将扩大到1446亿日元。在日本,由东京电力控股公司及中部电力公司各出资一半成立的JERA计划与JXTG能源合作,于2020年6月建成世界级最大制氢设备。潜藏其中的是FCV(燃料电池汽车)将很有可能提升市场对铂金的需求。

FCV的铂金使用量很大,普通轿车每辆使用5至8克,而FCV是普通轿车的10倍,铂金使用量为每辆50至100克。田中贵金属工业表示“虽然正在开发减少铂金使用量的相关技术,但实现大幅减少还存在很多难题。”

英国精炼知名企业Johnson Matthey指出FCV将成为贵金属市场中铂金需求的巨大动力。据该公司推算,FCV的铂金需求在2017年时约为1.2吨,2019年预计达到两位数。2025年整体铂金需求中汽车催化剂的需求将占比5%。

除FCV领域外,氢能发电领域中对铂金的需求也将增大。国际氢能委员会数据显示2050年氢能将占据整体能源消耗量的约20%。铂金将成为环保型社会技术竞争拉力赛的引爆剂。

参考日本报道原文:http://rrd.me/edSjJ

现代汽车向瑞士合资公司供应1600辆燃料电池卡车

韩国现代汽车宣布与瑞士制氢企业H2 Energy联合成立新公司Hyundai Hydrogen Mobility(HHM)。

韩国现代将于2020年前向新公司交货1600辆燃料电池卡车,其中大部分燃料电池卡车将由新公司租赁给H2 Mobility Switzerland Association的会员企业。

H2 Mobility Switzerland Association设立于2018年,是瑞士为促进氢能普及成立的共同平台,该平台以在瑞士建立全国加氢站网络为目标。参加该平台的企业包括运输企业、物流企业及加氢站运营企业等。

新公司计划通过在瑞士制造/供应氢能的子公司开拓氢能销售事业,并计划进军其他欧洲国家。据悉瑞士将提高柴油卡车税金,因此氢燃料电池卡车市场需求将会增加。韩国现代将瑞士的新公司定位为未来占领燃料电池车欧洲市场的据点,满足欧洲需求后,将开展包括韩国及美国在内的全球事业。

H2 Energy拥有生产/供应氢气、加氢站、氢能工程、燃料电池车等整个氢能生态系统的经验及技术。该公司表示将通过此次合作援助燃料电池卡车事业,并开发与氢燃料电池车应用相关的环保系统。

参考日本报道原文:https://tech.nikkeibp.co.jp/atcl/nxt/news/18/04760/

丰田发布燃料电池大型商用卡车 续航里程提高2倍

4月22日丰田北美部首次公开了搭载燃料电池动力传送系统的大型商用卡车。

这款FC大型商用卡车由丰田公司与美国卡车制造商Kenworth共同开发,预计2019年秋在美国洛杉矶港口投入使用并逐渐增加至10辆。该车将以洛杉矶港口为据点,在附近地区及港口周边等地区进行货物运输。

为确保该车型顺利投入使用,丰田公司自2017年开始实施行驶测试及完善。该车型以美国Kenworth公司的T680为基础,动力传送采用了丰田MIRAI的燃料电池系统,续航距离提高到平均每日运送距离的2倍约480公里。

丰田公司表示将分阶段实现减少500吨以上温室气体及0.72吨PM10、氮氧化物等有害物质的目标。

参考日本报道原文:http://uee.me/aUf76

全固态电池 日本主流厂商研发动向

全固态电池是决定电动汽车(EV)及IoT(物联网)普及的关键因素,如今技术研发竞争愈演愈烈。

全固态电池的原理与锂离子电池基本相同,最大的区别是电极间电解质是液体还是固体。锂离子电池采用了液体电解质具有可燃性,一旦破损有可能起火。相反,全固态电池采用固体电解质没有泄露的危险。另外固体电解质锂离子移动的速度快,因此能够缩短充电所需的时间。日本计划2020年中旬实现普及,目前正为实现量产开展各项技术研发。

作为动力源,高能锂离子电池每公斤的能源输出量为200∼250千瓦时,而全固态电池约为锂离子电池的2倍。另外,锂离子电池由于离子溶出到电解液中,反复充放电时性能将随之下降,而全固态电池离子不溶解,因此电池寿命更长。根据国际能源署(IEA)报道, 2017年全球销售的100万台以上的EV和插电式混合动力汽车(PHEV)几乎全部采用了锂离子电池,2020年中期开始全固态电池的采用率将升高。据富士经济预测,全固态电池的市场规模在2030年将达到3300亿日元,之后将急剧增加,到2035年全固态电池的市场规模将达到约2兆8千亿日元。

■全固态电池在宇宙、汽车、IoT领域的发展

预计全固态电池的实用将始于电子设备及传感器,FDK展示如半导体芯片一样大小的超小型筐体,该产品计划在2020年发售。

汽车厂商均进入技术研发白热化。丰田和松下将在2020年成立车载电池新公司,共享大容量锂离子电池和全固态电池技术。

全固态电池的应用领域不仅在地球上,日前也发展到宇宙领域。日本特殊陶业公司已将自主研发的全固态电池提供给日本太空公司ispace用于宇宙探索,该公司计划2021年发射月球探测器。日立造船也已开始全固态电池AS-LiB的样品供货,计划今年内将在大阪投产。据悉该电池在摄氏100度以上的高温下也能工作,适用于宇宙领域。

■全固态电池零部件开发竞争同样激烈

在全固态电池热潮下,电解质、正极材料、负极材料等主要材料生产企业也展开了激烈的技术竞争。三井金属在固体电解质、正极材料、负极材料的研发上均有涉猎。

固体电解质方面,三井金属公司在以硫磺、锂、磷等为原材料的电解质方面新研发了各原材料的烧结技术,目标不仅限于批量生产,预计将在2025年前后实用。日本有色金属资源及材料制造商JX金属在电解质开发方面已与东日本钛金属展开合作。日本第二大石油公司出光兴产公司与汽车厂商等进行技术研发合作,并已获得相关专利,计划2020年实用。

正极材料是锂离子电池发展的关键,目前正极材料的原材料大多采用钴等稀有金属。住友金属矿山公司将传统的正极材料应用到了全固态电池中。而住友化学正在开发新型正极材料,其中将不再使用稀有金属,取而代之的是镍或锰。

负极材料是保持电池充电状态的关键,大大左右着电池的容量。日本GSYUASA公司通过利用金属硅开发出了可实现约3倍能量密度的产品。

全固态电池领域日本领先于世界。日本新能源产业的技术综合开发机构(NEDO)是促进科技产品转化的军师,丰田、松下、旭化成等企业均在研发框架中。轻质大容量新型电池“空气电池”的研发竞争等新潮流不断涌现,全固态电池的商用化步伐正在不断扩大。

参考日本报道原文:http://rrd.me/edMqj