为削减CO₂的排放以抑制全球变暖，可再生能源和氢能等备受关注。但是，可再生能源主要为太阳能、水力、风力、生物质能等，发电易受地形和天气等自然条件的影响，很难实现电力的稳定供应。因此，高效输送和储存电力的技术变得尤为重要。本文将对解决未来能源问题的关键——储能技术展开分析。

目录

1. 储能技术支撑的产业

2. 各种储能技术的说明

（1）二次电池的原理

（2）用于各种储能技术的典型电池

（3）各种储能技术的预测

3.世界储能技术的研究

（1）世界各国的公共研究经费（拨款）动向

（2）世界不同领域的拨款分析

（3）近期值得关注的拨款案例

4. 从专利申请视角看储能技术

（1）世界各国的专利申请动向

（2）世界各领域的专利申请数量变化

（3）专利案例

5. 利用储能技术的独特企业

（1）世界初创企业的融资信息

（2）近期值得关注的初创企业案例

6. 总结与展望

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1、储能技术支撑的产业

储能技术被认为是支撑社会的必要技术。在资源贫乏的日本，该技术更是作为一项极为重要的技术被开发。特别是，随着脱核电和化石燃料向利用自然能源的可再生能源的转变在全球范围内的发展，为了高效地利用波动大且能量密度低的自然能源，急需开发一种优异的储能技术。储能技术大致可以分为两种，一种是通过将化学能转换为电能来实现充放电的二次电池，另一种是通过物理储存电荷来实现充放电的电容器。

迄今为止，关于储能技术，以锂离子电池为代表的二次电池已经使用了很长时间，且广泛应用于以智能手机、电动汽车等为代表的众多产品中。此外，储能技术的应用还扩展到建筑物等的电力储存系统，叉车和起重机等建设用车辆以及备用电源等工业机械中。

本文将对以下内容进行介绍：储能技术在产业中不断扩大的领域、储能技术主流——锂离子电池的代替技术、包括新一代锂离子电池等在内的备受关注的储能技术的先进研发技术。

下表示出了储能技术在各产业中的应用。显然，在很多产业中，要求储能技术的小型化和轻量化。

2、各种储能技术的说明

二次电池和电容器是指由正极材料、负极材料、液体电解质和隔膜等组成，在电极之间储存电能，且可充放电的蓄电体。其中，前者是通过电极间的氧化还原反应来储存电能的化学电池，如锂离子二次电池（LIB）和镍氢电池等，被用作笔记本电脑和手机的电池。而后者是利用电极之间的静电力储存电能的物理电池，被用作以双电层电容器（EDLC)等为代表的备用电源。

下面将介绍二次电池的储能原理和典型二次电池等。

（1）二次电池的原理

电池的基本原理是通过将化学能转化成电能来进行工作(放电)。例如，放电时，负极发生氧化反应，释放的电子对外部进行工作。另一方面，充电时，阳离子在负极接受从外部注入的电子发生还原反应，回到原来的状态。

（2）用于各种储能技术的典型电池

1. 锂离子电池

锂离子电池是通过锂离子在正极和负极之间移动而进行充放电的二次电池。目前，该电池已应用于多种设备，其正极、负极、隔膜、电解质等各种部件的研究也在广泛进行中。但是，该电池的电解质是有机溶剂，因此存在降低危险性和抑制由锂枝晶的生成而导致的性能下降等课题。

2.全固态电池

全固态电池是将传统液体电解质等替换成固体电解质的电池，由于没有发热、电解液泄漏、冻结及挥发的风险，有望实现较高的安全性。在现有锂离子电池的基础上，衍生出了全固态锂离子电池和以Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）等硫化物和Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZ系）的氧化物为电解质的全固态电池。但是，固体电解质的离子电导率通常小于液体电解质，因此，全固态电池存在如何提高离子电导率的课题。

3. 硅负极电池

硅负极电池是指使用硅作为负极材料的全固态电池。以硅作为负极材料可以增加储能容量。但是，硅负极的体积会随金属离子的出入而显著变化，因此抑制劣化是关键。

4. 空气电池

金属（锂、铝、锌等）空气电池是在正极和负极之间夹有隔膜的层叠结构，正极活性物质使用大气中的氧气。电池内部的活性物质只需负极活性物质即可，有望实现高能量密度。但是，该电池存在充电电压（过电压）上升而诱发副反应，导致循环寿命降低等课题。

5. 新一代超级电容器

超级电容器也被称为双电层电容器，是利用双电层这一物理现象来大幅提高储存能量的电容器。充电时，电极与电解液接触，通过在电极之间施加电压使电解质离子在溶液内移动。由此，电解质离子被吸附在电极界面，在电极表面形成双电层，从而储存电荷。但是，该电容器不是通过化学反应来储存能量，因此与二次电池等相比，存在可保持电力的时间短等课题。

6. 氧化还原液流电池

氧化还原液流电池可以通过溶液的泵送循环来促进离子发生氧化还原反应，从而进行充放电，另外，通过增加溶液的量，可以自由地增加储能容量。但是，该电池需要水泵等组件，因此存在无法小型化的课题。另外，还存在需要钒等稀有金属的课题。

7. 钠硫电池（NAS电池）

钠硫电池是以钠作为负极，以硫作为正极，采用β-铝作为电解质的高温工作型二次电池。该电池的课题在于使用液态钠和需要在接近300℃的高温下使用。

（3）各种储能技术的预测

下表示出了对各种储能技术的预测。各种储能技术总体上将朝着小型化、轻量化的方向发展。

图中，重量能量密度(W·h/kg)、体积能量密度(W·h/L)表示电能的量，两者的数值越大，就意味着能够储存更多的电能。

3、世界储能技术的研究

（1）世界各国的公共研究经费（拨款）动向

世界各国的拨款分析

本报告从Astamuse的拨款数据库选取了全球5237个2009年以后开始研究的课题，分析了各国的采纳数和总拨款额。下图示出了世界各国对储能技术相关课题的资助个数和拨款总分配额。

在拨款总分配额方面，牛津大学、剑桥大学、伦敦帝国理工学院等英国代表性大学和美国的大学排在前20位。其中，日本的东京大学和东北大学也榜上有名。此外，2017年成立的英国法拉第研究所虽然在上述排名之外，但其作为英国政府能源政策的一部分也获得了巨额拨款。

（2）世界不同领域的拨款分析

本文中将2009-2020年开始研究的5237个课题按领域分类，并调查了各领域课题数的逐年变化情况。结果显示，“锂离子电池”最多，与此相关的课题约占总数的60%。其次是“全固态电池(氧化物)”、“空气电池”、“新一代超级电容器”、“全固态电池(硫化物)”。从拨款来看，虽然目前广泛使用的锂离子电池占比还很高，但作为新一代储能技术而备受瞩目的全固态电池和空气电池的研究也在如火如荼地进行。

（3）近期值得关注的拨款案例

4、从专利申请视角看储能技术

（1）世界各国的专利申请动向

（根据申请人或受让人国籍）各国专利申请数量的逐年变化情况（2009-2018）

此次分析了约90000件2009年以后的储能技术相关专利申请。其中，日本的专利申请数量约为33000件，所占比重最大，但是近年来申请数量保持稳定，由此可见，日本的开发竞争已经达到一定水平，并且处于实用阶段。韩国的专利申请数量仅次于日本，虽然2015年以后出现短暂的下降，但近年来再次增加。中国的专利申请数量在2015年后也大幅增加。由此可见，为顺应市场的扩大，应用技术的开发竞争也日趋激烈，预计今后，专利申请数量将在全球范围内持续增加。

接下来，统计了2009年以后在日本、美国、欧洲的三大专利局以及世界知识产权组织(WIPO)申请的50091件储能技术相关专利(以下，称为“四大专利”)。结果发现,申请数量排名第一的是从事锂离子电池相关业务的韩国LG化学,第二位是致力于自动驾驶、智能城市等领域的丰田汽车,第三位是在电动汽车用电池方面有出色业绩的松下公司。此外，在前20名中，日本的主要电机和汽车制造商占据了一半以上，由此可见，日本企业在该领域的核心技术中处于世界领先地位。毫无疑问，从构建可持续社会的角度来看，市场的扩大对于拥有多数核心技术的日本企业来说是一场机遇。但另一方面，日本与正在迅速获得技术专利的韩国、中国企业在应用技术上的竞争趋于白热化,预计主张专利权的诉讼也会持续增加。今后，包括竞争企业的投资组合分析等在内，以专利战略为基础制定商业战略是当务之急。

（2）世界各领域的专利申请数量变化

以下，针对上述50091件四大专利,按照在资助数量调查中排在前列的锂离子电池、空气电池、全固态电池(氧化物)、全固态电池(硫化物)以及新一代超级电容器进行分类,调查专利件数的逐年变化情况。2009年以来，与“锂离子电池”相关的申请数量最多，占总数的20%，达到10110件。其次是“空气电池”相关专利，占18%。其他电池的排名依次是“全固态电池(氧化物)”、“全固态电池(硫化物)”、“新一代超级电容器”。

如上所述，锂离子电池已经投入实际使用，且在现有储能技术中占据较大比例，因此与锂离子电池相关的专利件数要多于其他种类的电池。据推测，随着今后研究的深入，其他种类电池的专利申请数量也会增加。

（3）专利案例

5、利用储能技术的独特企业

（1）世界初创企业的融资信息

对2000年以后成立的与储能技术相关的初创企业进行调查后显示，已经成立了大约250家企业。此外，还发现近年来每年募集的资金约为15亿美元。

下面将介绍所调查的初创企业中值得关注的企业。

（2）近期值得关注的初创企业案例

6、总结与展望

通过本次调查可知，可靠性高且具有实际成果的锂离子电池作为一项储能技术在研发和专利申请方面均占多数。此外，在专利申请方面，日本的申请非常多，由此可见，日本在技术方面处于世界领先地位。

另一方面，已知现有的锂离子电池在理论上是有容量极限的，并且据说，其在几年后就会达到理论极限值。另外，有报道称，到2030年代中期，日本国内销售的新车将转换为混合动力车（HV）和电动汽车（EV），储能技术将备受瞩目。

其中，理论容量最大的空气电池，以及比化学电池响应速度更快的新一代超级电容器还处于开发初期阶段，因此还有发展的空间。

参考文献：

1. 鱼崎浩平蓄电池的研发动向

https://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/juyoukadai/energy/17kai/siryo1-1-1.pdf

2. NEDO 能源、环境、产业技术的当今和未来【焦点NEDO】

https://www.nedo.go.jp/content/100881592.pdf

3. NEDO 二次电池技术发展路线图

https://www.nedo.go.jp/content/100153876.pdf

支撑新一代能源的储能技术