钠离子电池:不使用稀有金属 或成镍氢电池和锂离子电池的替代品

2021-10-27      1315 次浏览

2010年,海域发生中日撞船事件后,我国开始从实质上限制稀土出口。稀土是混合动力车用电动机和有机EL显示器等高科技产业必不可少的资源,也被称作“产业的维生素”。


我国这个世界最大的稀土生产国开始限制出口,采购危机随之出现,稀土价格飙升。磁铁使用的钕和镝的价格在2011年七月达到顶峰,是2007年的30倍以上(瑞穗实业银行产业调查部的调查结果)。不仅是日本,全世界的公司都遭受了沉重打击。


危机尚未结束


之后,随着回收再利用技术和不依赖稀土的产品开发的进步,我国的稀土价格逐渐回落。2014年,世界贸易组织(WTO)认定我国执行的出口限制违规。2015年一月,我国政府做出了撤消出口限制的决定。但稀土等稀有元素的危机并未就此结束。稀土只是31种稀有金属中的一部分,其他元素也完全有可能遇到出口限制之类的问题。


锂也是一种常用的稀有金属,重要应用于电池。开发锂离子电池的目的,是为了满足手机和笔记本电脑有关高容量、小型电池的迫切需求。1991年,索尼在全球率先实现了锂离子电池的商品化,横扫了整个市场。不仅是移动设备,还得到了固定式电池和车载电池等广泛用途的采用。富士经济预测,到2018年,全球锂离子电池市场将扩大到2万亿日元的规模。


日本的锂全部依靠从南美等地进口。随着市场扩大,确保未来资源供应和成本问题逐渐显现。而且,锂离子电池除了锂之外,还使用另一种稀有金属——钴。NTT设施综合研究所的调查显示,利用现行技术生产1辆纯电动汽车(EV),大约要使用20kg的锂和大约40kg的钴。即便把全球的产量都供应给EV,每年产出的锂只够700万辆车使用,而钴仅够100万辆车使用。随着再生能源的普及,假如大型蓄电池的需求新增,资源枯竭和价格暴涨不可防止。


面对这种情况,政府不能袖手旁观。作为国家的危机管理措施,开发摆脱稀有元素依赖的技术——从2008年开始,日本启动了名为“元素战略项目”的全国性研究项目。后锂离子电池的开发也是项目之一。该项目提出用钠来替代锂。在元素周期表上,钠就在锂的下方,性质与锂相似。钠最大的好处是在海水等资源中含量丰富,是“取之不尽”的元素。不过,钠离子电池的开发却长期不受关注。“用钠做电池,根本行不通”,尽管材料的性质与锂相似,但材料化学专家之间依然存在这种认识。离子电池是利用离子在正极与负极之间的移动进行充放电的。在这个过程中,离子要顺畅地进入正极与负极的材料之间。钠离子的体积大约是锂离子的两倍,很难进入电极材料,按照一般观点,钠离子无法在实用中实现充放电。因此,直到1990年代,研究人员都几乎忽视了钠离子电池。


然而,日本的研究人员颠覆了这一固有观念。2009年,随着材料开发的进步,钠离子电池的开发稳步推进。东京理科大学教授驹场慎一(当时为副教授)的研究小组,通过在负极使用碳系材料,在世界上首先成功实现了钠离子电池的重复充放电。打破过去10次左右的充放电极限,开发出了可以重复使用几百次的电池,为实用化开辟了道路。以这项研究为契机,全球掀起了研究钠离子电池的竞争。论文数量在2009年之后快速新增。“全球发表的论文数量估计是以前的几百倍”(驹场教授)。


钠离子电池有三大优点:


一是原料成本低。不仅不使用锂、钴等稀有金属,而且通电的基板可以使用铝,而不是铜。因为不使用高价材料,所以“与锂离子电池相比,成本至少可以减少1成,顺利的话可以减少3成”(驹场教授)。


二是可以沿用现有的生产工序。钠离子电池的工作机制与锂离子电池相同,电池公司的现有生产设备可以直接用来生产钠离子电池。


因为基本不要设备投资,所以各家公司容易将其作为替代电池开展生产。(来源:日经技术在线)



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