前日产工程师对设计的下一代电池的安全性和成本竞争力充满信心,明年开始量产

锂离子二次电池作为智能手机和EV(电动汽车)等移动设备的电源必不可少,其中,“全树脂电池”作为下一代电池备选之一正引起人们的关注,成立于2018年的初创企业APB(东京都千代田区;CEO:堀江英明)正在着手进行开发。

川崎重工已决定其所计划商业化的自主无人潜水器(AUV)搭载全树脂电池,而且示范实验已于7月开始。这是首个采用全树脂电池的案例。

AUV指无人潜水器,用于维护和检查海底电缆和管道等水下设备,需要大容量电池以保证长时间水下工作。因此,川崎重工决定使用全树脂电池,该电池比传统电池具有更大的容量,并且具有出色的耐水压性能。

川崎重工正在研发的自主无人潜水器(图片均来自网络)

1、由树脂制成的电池的三个好处

锂离子电池通过使锂离子在正极和负极之间来回移动进行充电或放电,全树脂电池的充放电原理与其相同。

只是,当前的锂离子电池使用许多金属材料,而全树脂电池,顾名思义,其最显著的特征就是包括电极在内的几乎所有部件都由树脂制作而成。正极和负极的活性材料被凝胶状聚合物覆盖,集电器也是由树脂制成。

APB首席执行官堀江表示:“全树脂电池是终极电池。”在三洋化成工业株式会社的全面技术支持下,向实用化稳步推进。

作为全树脂电池的开发者和发明者,APB的首席执行官堀江英明(63)表示,电池树脂化具有以下三个优势。

首先是安全。锂离子电池由于强烈的撞击或压力而造成短路时,强电流会立即流过金属集电器,使温度升至500度以上,存在引发起火等事故的风险。与之相比,全树脂电池非常安全,其使用高电阻的树脂代替金属部件,即使发生短路,也不会立即产生强电流。

第二是制造成本。锂离子电池从材料调整到模块化大约需要20道加工工艺,而全树脂电池的加工工艺仅为其一半。资本投资的负担轻,量产后成本更是能进一步降低。

关于第三个优点是,堀江先生强调了电池本身的性能:“全树脂电池比常规锂离子电池具有更高的能量密度,可以使电池容量增加一倍以上。此外,电极易于增厚,单电池片的尺寸和形状设计上具有很大的自由度。”

堀江先生曾经是日产汽车的工程师,多年来从事尾气净化催化剂和EV(电动汽车)电池系统的研究与开发,也曾负责2010年发布的EV——“Leaf”项目的电池开发。应母校东京大学的邀请,堀江先生于2007年离开日产,担任东京大学人工工程研究中心的副教授,以及生产技术研究所的特聘教授,从事下一代电池的研究。

堀江先生很早就将全树脂电池视为理想的电池,但最大的障碍是树脂技术。想要找到最佳的电池材料,对树脂合成和设计的深入了解必不可少。在这种情况下,当三洋化成工业公司的一名工程师在听了堀江先生的演讲后找到堀江先生,以此为契机,堀江先生的想法开始走向现实。

三洋化工是一家化学制造商,专门生产用于纸尿裤的高吸水性树脂,润滑油添加剂和墨粉原料等功能性材料。当时,该公司正在开发利用其树脂方面技术经验的新业务。就这样,2012年堀江先生开始和三洋化工进行联合研发。通过反复试验,在全球率先实现全树脂电池的实用化。

2020年3月在福井县举行的新工厂建设的记者招待会现场。中间是堀江先生,左边是三样化工工业社长安藤孝夫,右边是福井县知事杉本达治

这种下一代电池技术引起了业界的广泛关注。今年春季,横河电机、大林组、帝人和长濑产业株式会社等七家公司共计向其投资了80亿日元(约合人民币5.2亿人民币)(6月份丰田通商追加出资)。上述出资企业都期待能够在材料购买、电池系统设置,以及业务方面获益。

APB正在使用从此次增资中获得的资金进行量产工厂的筹建。到目前为止,已经在三洋化工的中试工厂进行了样品制作,同时在福井县越前市购置了工厂用土地和厂房。该公司计划在2021年春季完成生产设备的安置,并于明年秋天开始电池模块产品的出货。

2、目标是储存可再生能源的大型蓄电池

堀江先生的目标是使用这种下一代电池技术,制作大型固定式蓄电池,用于存储太阳能等可再生电能。

随着世界范围内对太阳能和风力发电等可再生能源的引入,对于临时存储和有效利用电力的蓄电池的需求正在增加,然而实际的普及方面并未取得太大进展。这是因为采用当前的锂电池作为大型固定式蓄电池成本过高,并且存在安全性的问题。电池越大,能量容量就越大,如果发生事故,可能造成灾难性后果。

堀江先生表示:“采用制造工艺简单的全树脂电池,可以大大降低制造成本。同时其非常安全,可以极大地促进固定式蓄电池的普及。”事实上,他对引进可再生能源充满信心,目前已经有很多欧美能源相关公司前来咨询,最早将在明年与这些公司开展大型蓄电池的示范实验。

堀江先生此前是日产工程师,从他个人经历来说,即将进入全面普及期的电动汽车似乎也应该成为其考虑的重点领域,但据其本人透露,目前并不考虑车载用途,“车载电池是“红海市场”,竞争将非常激烈,突然进入该领域将面临诸多困难。首先在大型固定用蓄电池领域稳固业务基础。在其完成后,才可考虑凭借压倒性的成本竞争力来发展车载用途。”

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10年内业务规模达到5000亿日元(约合人民币324亿元)

三洋工业作为堀江先生在推进全树脂电池实用化过程中的合作伙伴,对全树脂电池抱有很高的期望。三洋工业已累计负担数十亿日元的研发费用,并于2019年出资APB,与其建立资本合作关系。尽管由于今年春季的大规模增资,其所占的投资比例有所下降,但其仍然是最大的股东,拥有40%以上的股份。作为其子公司,三洋工业向APB派遣了约40名研发人员。

全树脂电池的主要特征是具有高度的设计自由度。高极性层压型,如照片所示,可以将片状电池多层堆叠以增加容量

三洋化成工业社社长安藤孝夫表示:“对于我们来说,如全树脂电池这样,能改变整个社会的创新是前所未有的挑战。我们对该技术充满信心,并寄予厚望。因为大型固定式蓄电池的潜在需求很大,我们希望在10年内将业务规模扩大到约5,000亿日元(约合人民币324亿元)。”

为了实现这一目标,正在按计划建立一号工厂,关键在于尽快确立高效的量产技术。根据APB的路线图,下一步是在2020年代中期启动巨型的二号工厂,以发挥规模化优势。届时,预计制造成本能降低至锂离子电池的一半以下。

堀江先生表示:“目前,全树脂电池是我们可以想到的理想的终极电池。我们希望利用这项技术推动能源领域的创新。”

前日产工程师的宏伟梦想会实现吗?


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